實驗室中模擬太陽光照射的光電化學電池(圖: Katarzyna Sokół)

植物行光合作用時會將水分解成氧氣和氫氣,其中氧氣會釋放到大氣中,成為地球氧氣的主要來源,而氫氣會繼續合成葡萄糖供植物使用。劍橋大學萊斯納實驗室(Reisner Laboratory)一項新的研究利用半人工光合作用(semi-artificial photosynthesis),發現能讓氫氣成為儲存與利用太陽能的新方式,有望應用於可再生能源。

半人工光合作用

研究團隊發現可在無催化劑的輔助下利用陽光分解水,效率比自然界的光合作用還高。研究員卡塔琳娜·索科爾(Katarzyna Sokół)解釋,光合作用並不是那麼有效率,演化讓植物的光合作用只轉化及儲存足以生存的能量,只可轉換 1~2% 的光能。

人工光合作用技術已經存在幾十年,但受限於需使用昂貴又具毒性的催化劑,無法擴大至工業規模做再生能源應用。為了突破全人工光合作用需要使用催化劑的限制,因此這項研究運用了氫化酶進行了半人工光合作用。

開創新局

這項實驗成功使用了氫化酶和光合作用系統二(photosystem II)創造陽光驅動的半人工光合作用。萊斯納實驗室主持人歐文·萊斯納教授(Erwin Reisner)表示,這項研究克服了在整合生物、有機成分和無機材料時遭遇的許多困難,為日後的太陽能轉換系統開創了新方法。

研究團隊不僅增加了可生產與儲存的能量,還成功喚醒藻類一個已經休眠許久的功能。索科爾解釋:「存在於藻類中的氫化酶(hydrogenase)能夠將質子還原為氫。這項功能在演化過程中因為非生存必需而停用了,但我們成功將其重啟,來達到我們想要的反應──將水分解為氫氣和氧氣。」

她表示,對於能夠選擇並進行自然界中不會發生的反應感到興奮,期待此研究能探索其他反應,從中學習並且作為發展太陽能科技的基礎,以開發更多相關應用。

 

參考資料

  1. Sokol, K. P., Robinson, W. E., Warnan, J., Kornienko, N., Nowaczyk, M. M., Ruff, A., . . . Reisner, E. (2018). Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase. Nature Energy. doi:10.1038/s41560-018-0232-y
  2. St John’s College. (2018, September 3). Scientists pioneer a new way to turn sunlight into fuel | StJohns. Retrieved September 12, 2018.

 

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