人造光合作用

人造光合作用

光合作用廣泛存在於自然界葉綠體收集太陽光能,將水和二氧化碳轉化為有機物(首先是葡萄糖),放出氧氣

基本介紹

簡介,最新進展,催化物,前景,

簡介

但這只是最終結果,整個過程一開始是將水和二氧化碳氣轉化為氧,自由的質子和電子。在光合作用中產生了兩個化學反應,葉綠素分子失去兩個電子,水分子發生分解。儘管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述,但是想人工實現這一過程卻絕非易事,主要的問題在於缺少有效地電解水的媒介,在植物中充當這一媒介的是葉綠體。
眾所周知,水能夠電解成氫和氧,但整個過程毫無意義。為了提高這一性能,化學家們提供了能促使反應在更低電壓情況下進行的催化劑。只有釕和能充當這種媒介,當然這兩種金屬都很昂貴,除此之外,反應要進行還需要特定的溫度條件和氣壓。
模擬光合作用儲存太陽能的技術早在上世紀70年代初就進入了科學家的視線。幾十年來,研究人員一直在嘗試複製綠色植物分解水的方式。利用化學方式,科學家早已能夠完成水的分解反應,但這些化學反應條件非常苛刻,溫度很高,溶液具有腐蝕性很強的鹼性,而且催化劑需要用到鉑等稀有而昂貴的化合物。丹尼爾的設計就像光合作用一樣,分解水的反應在室溫下就可進行,溶液也沒有腐蝕性,更重要的是催化劑非常便宜,可以很容易地得到氫氣和氧氣。

最新進展

人工模擬光合作用反應中心光誘導電子轉移(PET)過程的工作展開已久。20世紀90年代初期以前人們構建的光合作用人工模擬體系主要是光敏色素,電子給體和受體共價鍵結合的體系,其中的色素通常採用與葉綠素結構類似的卟啉類衍生物,通過共價鍵代替了生物蛋白的作用。人工模擬體系的設計主要基於兩方面考慮:一是如何選擇光敏色素、電子給體和受體,特別關鍵的是其激發態能級,光物理參數以及相關態之間的氧化還原反應電勢;二是如何選擇控制模型體系中各組件之間的相互作用和組織原則,因為這對量子轉移過程的速率及量子效率方面起到主要作用。
最新和最複雜的通過分子間相互作用構築光合作用人工模擬體系的工作由胡義鎮和Itaru他們合成了血紅素-聯吡啶釕-環二(百草枯-對亞苯基)模型體系,該體系包括敏化劑三(2,2‘-聯吡啶)釕絡合物、受體環二(百草枯-對亞苯基)(BXV4+0和作為次級電子給體的血紅素部分(與一個聯吡啶配體共價鍵結合),然後再與肌紅蛋白重組,進而進行PET研究,結果得到了可以與天然體系相比的長壽命的電荷分離態Mb(FeⅣ=O)-Ru2+BXV3+ ,其壽命大於2ms,而且是在水溶液中進行的。
還有一種通過特殊催化劑光解水的模擬方法也取得了新的進展。據國外媒體報導,美國麻省理工學院(MIT)的科學家日前在實驗室內再現了光合作用的過程,在整個過程中光合作用將水分解成氫和氧,並產生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實驗的意義在於光合作用產生的能量能夠被人類利用,這種技術將引發一場太陽能使用革命,並補償煤炭,石油等不可再生資源的損耗。這兩名科學家名叫諾塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan),他們找到了一種簡單實惠的方法將水分解成氫氣氧氣,這種方法的原理和光合作用差不多,只是將太陽能轉化了可燃燒的氫氣和氧氣。
雖然找到了理想的催化劑,但研究人員表示,這可能是偶然之中的意外收穫,還有很多問題有待解決,解決這些問題將有利於進一步提高催化效率。
研究人員使用較普遍的介孔矽(中間有孔洞的二氧化矽晶體)作為氧化鈷載體,通過一種“濕性注入”的技術將納米束植入其中。最理想的情況是直徑約為8納米、長50納米的團簇,團簇中的納米管互相連線,彎曲成直徑約35納米的球體。但當使用其他形狀的納米糰簇時,催化效率就又大大降低。弗雷猜測說,納米糰簇的形狀可能對催化反應起決定作用。弗雷與焦鋒正在進行進一步實驗,試圖探明其中的機理。
弗雷與焦鋒的研究成果無疑給人工光合作用打了一針強心劑。因為在這之前,主要研究重點放在催化反應過程上,高效催化劑一直未能找到。弗雷表示,無論從催化劑的易得性、納米糰簇的穩定性、反應中所加的電壓,還是酸鹼度、溫度方面來說,氧化鈷的催化效率已同“光合體系Ⅱ”相當。研究人員的下一個任務是,建立一個切實可行的太陽能能量轉換系統,將反應產生的氫氣以無污染的方式轉化成能量。

催化物

研究人員已發現,特殊的蛋白質“光合體系Ⅱ”作為催化劑載體,起催化作用的是一種含錳的生化酶。在沒有綠色植物這個光合作用載體的情況下,人們期望找到一種人工催化劑以替換“光合體系Ⅱ”。加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員正是找到了高效的催化劑——氧化鈷納米顆粒,實現了高轉化率的光解反應,相關論文已發表在德國《套用化學》期刊上。
這個系列實驗是在加州大學勞倫斯伯克利國家實驗室“太陽神”太陽能研究中心完成的,該研究中心由華裔科學家、諾貝爾獎獲得者朱棣文創立。他也是勞倫斯伯克利實驗室的主任。主要參加者是研究中心主任海因茨·弗雷和他的博士後、旅美華人學者焦鋒(音)。弗雷介紹說,光解反應對催化劑要求極為苛刻,在經過無數次實驗後,他們發現氧化鈷納米晶體既高效又快速,反應持久,也容易得到,正好能滿足要求。
最開始,他們用毫米級的氧化鈷顆粒做實驗,效果不理想。之後改用納米級的氧化鈷顆粒,欣喜地發現反應速度大大提高。弗雷表示,使用氧化鈷納米“團簇”(多個納米束組成的團狀結構)做催化劑的反應速度是毫米糰簇的1600倍,每個團簇每秒約能裂解1140個水分子,反應功率(指每秒吸收的能量)與地面附近的太陽輻射能相當,約為每平方米1000瓦。

前景

人工模擬光合作用經歷了由簡單到複雜,從經典的共價鍵體系到進入超分子化學,化學分子自組裝的方式,由脂溶性溶劑到水溶性溶劑這樣一個逐步發展的過程,光解水的研究也已經進行了半個世紀,並在20世紀七八十年代的20年間在全世界範圍內達到了高潮,但是仍未能在技術上取得突破,實現大規模套用。究其原因,在於新能源的發展方向上有多條路線在相互競爭。經典化石燃料煤、石油、天然氣最多可以用200年,而可燃凍的預計儲量相當於前三者儲量之和的三倍。但從人類社會的可持續發展來看,太陽能是未來可替代化石能源最有競爭力、取之不盡而一勞永逸的資源。儘管光解水法,中心色素模擬等人工模擬光合作用的方法還在實驗室階段或尚未大面積推廣,但眾多科學家的努力已經把人工光合作用的研究大大向前推進了一步

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