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人工“叶绿体”助力“水变氢”

来源:中国科学报 | 作者:中国科学报 | 2019年8月27日() | 打印内容 打印内容

聚焦植物生物学的化学反应途径已被改造成一种利用太阳能将水转化为氢燃料的新型技术。美国能源部阿贡国家实验室最新一项研究表明,科学家将两种膜结合蛋白质复合物组合起来,完成了水分子向氢和氧的完全转换。这项研究报告发表在近期出版的《化学科学》杂志上。

该研究基于一项早期研究,检测了一种叫做“光系统I”的蛋白质复合物。它是一种膜蛋白质,可以使用光能向一种制造氢的无机催化剂提供电子,然而这仅占整个制氢过程的一半进程。

阿贡国家实验室化学家Lisa Utschig和同事通过使用第二种蛋白质复合物——“光系统II”,利用光能分解水,并从中获取电子。他们能够从水中获取电子,再将它们输入“光系统I”之中。

Lisa Utschig说:“该设计的完美之处在于它的简单性,利用天然膜自行组装催化剂,实现所预期的化学反应。”

在早期实验中,研究人员向“光系统I”提供源自牺牲电子供体的电子,该技术在于如何让两个电子快速连续地进入催化剂中。

这两种蛋白质复合物能够嵌入类囊体膜,就像高等植物中生成氧气的叶绿体一样。这种天然膜是直接从自然界提取的,它对这两种光系统的配对至关重要。从结构上,天然膜同时支持两种光系统,并为蛋白质内部电子转移提供直接途径,但并不妨碍催化剂与“光系统I”的结合过程。

Lisa Utschig表示,该模型是光触发类囊体膜自然光合作用电子传输链的技术与合成催化剂的巧妙结合。

另一项改进是,使用钴或者镍催化剂取代之前研究中使用的昂贵铂催化剂,最新采用的钴或者镍催化剂能够大幅降低潜在成本。

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