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破解藍綠藻光合用途之謎,用以提升太陽能電池效率

鉅大LARGE  |  點擊量:322次  |  2023年09月19日  

和植物光合用途效率相比,人造太陽能設備僅能轉換少少的太陽光,且轉換效率慢、機器又笨重,因此科學家想要找出植物光合用途高效之謎,或許可進一步提升太陽能電池性能。


葉綠素等色素(pigments)是植物光合用途效率高的功臣,當光照射到葉綠體時,其中電子會被一系列色素單向傳遞和激發,最后將二氧化碳、水或是硫化氫轉化成碳水化合物。而有別于植物的單向路徑,人工太陽能電池由于很容易將電子反彈,進而失去能量并降低效率。


該研究2017年公布于《美國國家科學院院刊(ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences)》,認為色素的單向路徑是植物光合用途高效祕方。雖然類似研究已在1992年提出,但在此之前都沒有被證實。


為了更了解光合用途過程和其復雜反應,美國喬治亞州立大學物理和天文系生質學家GaryHastings團隊利用紅外光譜分析紅外光和物質如何相互用途,并獲得美國能源局基礎能源部門40萬美元資助,希望可以提升人工太陽能電池效率和打造更簡單的太陽光捕獲系統。


團隊研究對象并非一般綠葉植物,而是藍綠藻的分支集胞藻(Synechocystis),研究發現只要將集胞藻中的葉綠醌色素嵌入蛋白質中,其相互用途便會出現特殊性質,而研究希望能用其他色素代替葉綠醌,借由不同結構色素改變光合用途系統。

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團隊透過激光讓集胞藻行光合用途,并用紅外光追蹤電子轉移引起的色素分子鍵和周圍蛋白質變化,這些資料讓團隊得以改良色素─蛋白質系統,并控制電子的移動速度。Hastings表示,純化植物材料過程相當復雜,比起植物細胞,對藍綠藻進行基因修飾(geneticallyengineer)更為簡單。


Hastings指出,團隊的研究可指引太陽能電池新方向,像是全新的太陽能制氫方式;且電子轉移、色素和蛋白質關系等知識也可以應用到其他領域,因為這些都是生物化學的核心。


而除了用于提升太陽能設備效率,團隊也致力于研究如何將該藻類用于其他用途,例如制成生物燃料,藻類細胞生長時會出現脂類(lipids),可從細胞中萃取脂類并轉化為柴油燃料。


Hastings表示,未來該研究也或許能用于檢測藻華,防止越來越多水池優養化和污染。藻類大量堆積可能會導致飲用水污染、藻類毒素透過食物鏈影響人體健康,而團隊目標是使用光譜檢測藻華并預測其是否會再次大量生長。


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