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Discovery采用天然膜來制造水中的氫燃料

鉅大LARGE  |  點擊量:736次  |  2019年06月28日  

植物生物學的核心化學反應途徑已經過調整,形成了利用太陽能將水轉化為氫燃料的新工藝的支柱。在美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室最近的一項研究中,科學家將兩種膜結合蛋白復合物結合起來,將水分子完全轉化為氫和氧。

這項工作建立在早期研究的基礎之上,該研究檢測了這些蛋白質復合物中的一種,稱為光系統I,一種膜蛋白,可以利用光能將電子提供給制造氫的無機催化劑。然而,這部分反應僅代表氫氣生成所需的整個過程的一半。

通過使用第二種蛋白質復合物,利用光能分解水并從中吸收電子,稱為光系統II,Argonne化學家LisaUtschig及其同事能夠從水中取出電子并將它們送入光系統I.

“這種設計的美妙之處在于其簡單性-您可以使用天然膜自行組裝催化劑,以實現您想要的化學反應,”Argonne化學家LisaUtschig說。

在早期的實驗中,研究人員為光系統I提供了來自犧牲電子供體的電子。“技巧是如何快速連續地將兩個電子送到催化劑中,”Utschig說。

這兩種蛋白質復合物嵌入類囊體膜中,就像在高等植物中產生氧氣的葉綠體內部發現的那樣。“我們直接從大自然中獲取的膜對于配對兩個光系統至關重要,”Utschig說。“它在結構上同時支持它們,并提供蛋白質間電子轉移的直接途徑,但不會妨礙催化劑與光系統I的結合。”

根據Utschig的說法,Z-方案-這是在類囊體膜中發生的自然光合作用的光觸發電子傳輸鏈的技術名稱-和合成催化劑非常優雅地結合在一起。“這種設計的美妙之處在于它的簡單性-你可以用天然膜自組裝催化劑來完成你想要的化學反應,”她說。

另一項改進涉及用鈷或含鎳催化劑代替早期研究中使用的昂貴的鉑催化劑。新的鈷或鎳催化劑可以大大降低潛在成本。

根據Utschig的說法,研究的下一步是將膜結合的Z-方案納入生命系統。“一旦我們擁有一個體內系統-一個在生物體內發生這一過程的系統-我們真的能夠看到橡膠在氫氣生產方面的發展,”她說。

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