覆蓋池塘和海洋表面的各種不起眼的藻類可能是提高人工光合作用效率的關(guān)鍵，使科學(xué)家能夠在此過程中產(chǎn)生更多能量并減少浪費(fèi)。

新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）科學(xué)家的一項研究表明，將藻類蛋白質(zhì)包裹在液滴中可以顯著增強(qiáng)藻類的光收集和能量轉(zhuǎn)換特性，使其效率提高三倍。這種能量是在藻類進(jìn)行光合作用時產(chǎn)生的，這是植物、藻類和某些細(xì)菌利用陽光能量并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。

通過模仿植物如何將陽光轉(zhuǎn)化為能量，人工光合作用可能是一種可持續(xù)的發(fā)電方式，不依賴于不可再生的化石燃料或天然氣。由于從陽光到電能的自然能量轉(zhuǎn)換率很低，因此提高總發(fā)電量可以使人工光合作用在商業(yè)上可行。

該研究由電氣與電子工程學(xué)院的助理教授陳玉成領(lǐng)導(dǎo)，研究了在紅藻中發(fā)現(xiàn)的一種特殊類型的蛋白質(zhì)。這些稱為藻膽蛋白的蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)吸收藻類細(xì)胞內(nèi)的光以啟動光合作用。

藻膽蛋白從光波長的光譜范圍內(nèi)收集光能，包括葉綠素吸收不良的光能，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

陳助理教授說：“由于藻膽蛋白具有獨(dú)特的發(fā)光和光合作用特性，在生物技術(shù)和固態(tài)設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。提高光收集裝置的能量一直是有機(jī)設(shè)備開發(fā)工作的核心用光作為動力源。”

使用藻類作為生物能源是可持續(xù)性和可再生能源領(lǐng)域的熱門話題，因為使用藻類可能會減少太陽能電池板制造過程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品的數(shù)量。

該研究支持南大對可持續(xù)發(fā)展的承諾，作為其 2025 年戰(zhàn)略計劃的一部分，該計劃旨在了解、闡明和解決人類對環(huán)境的影響。

研究結(jié)果發(fā)表并被選為科學(xué)期刊ACS Applied Materials Interfaces的封面。

將人工光合作用效率提高三倍

微藻吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為能量。為了放大藻類可以產(chǎn)生的能量，研究小組開發(fā)了一種方法，將紅藻包裹在大小為 20 至 40 微米的小型液晶微滴中，并將它們暴露在光線下。

當(dāng)光擊中液滴時，會發(fā)生一種稱為“耳語畫廊模式”的效應(yīng)，其中光波圍繞液滴的彎曲邊緣傳播。光被有效地困在水滴中的時間更長，為光合作用提供了更多的機(jī)會，從而產(chǎn)生更多的能量。

在光合作用過程中以自由電子的形式產(chǎn)生的能量可以通過電極作為電流被捕獲。

“液滴就像一個諧振器，可以限制大量光線，”陳助理教授說。

“這使藻類更多地暴露在光線下，提高了光合作用的速率。通過用藻類蛋白質(zhì)涂覆液滴的外部也可以獲得類似的結(jié)果?！?

“通過利用微液滴作為捕光生物材料的載體，液滴內(nèi)部的強(qiáng)局部電場增強(qiáng)和光子限制導(dǎo)致顯著更高的發(fā)電量，”他說。

液滴可以以低成本輕松批量生產(chǎn)，使研究團(tuán)隊的方法具有廣泛的適用性。

根據(jù)陳助理教授的說法，大多數(shù)基于藻類的太陽能電池產(chǎn)生的電能為每平方厘米 20-30 微瓦 (μW/cm 2 )。與單獨(dú)藻類蛋白質(zhì)的能量產(chǎn)生率相比，NTU 藻類-液滴組合將這種能量產(chǎn)生水平提高了至少兩到三倍。

將“生物垃圾”轉(zhuǎn)化為生物能源

人工光合作用的挑戰(zhàn)之一是像太陽能電池板等其他太陽能能源一樣高效地產(chǎn)生能量。平均而言，太陽能電池板的效率等級為 15% 至 20%，而目前估計人工光合作用的效率為 4.5%。

陳助理教授說：“人工光合作用在發(fā)電方面不如太陽能電池有效。但是，它更具可再生性和可持續(xù)性。由于人們對環(huán)保和可再生技術(shù)的興趣日益濃厚，從藻類中的捕光蛋白中提取能量已經(jīng)成為一種趨勢。引起了人們對生物能源領(lǐng)域的極大興趣。”

陳助理教授設(shè)想了“藻類農(nóng)場”的一個潛在用例，在這種情況下，水體中密集生長的藻類最終可以與更大的液晶液滴結(jié)合，形成漂浮的發(fā)電機(jī)。

“我們實驗中使用的微液滴有可能放大成更大的液滴，然后可以將其應(yīng)用于實驗室環(huán)境之外的藻類以產(chǎn)生能量。雖然有些人可能認(rèn)為藻類生長不雅觀，但它們起著非常重要的作用。在環(huán)境中的作用。我們的研究結(jié)果表明，有一種方法可以將一些人可能認(rèn)為的'生物垃圾’轉(zhuǎn)化為生物能源，”陳助理教授說。