Credit:南洋理工大学覆盖池塘和海洋表面的各种不起眼的藻类可能是提高人工光合作用效率的关键，让科学家在这个过程中产生更多的能量和更少的废物。新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)的科学家进行的一项研究表明，将藻类蛋白质包裹在液滴中可以显著增强藻类的光收集和能量转换特性，使其效率提高三倍。这种能量是在藻类进行光合作用时产生的，光合作用是植物、藻类和某些细菌利用阳光的能量并将其转化为化学能的过程。
通过模仿植物如何将阳光转化为能量，人工光合作用可能是一种可持续的发电方式，不依赖不可再生的化石燃料或天然气。由于从阳光到电能的自然能量转化率较低，提高总发电量可能会使人工光合作用在商业上可行。
这项研究由电子电气工程学院助理教授陈玉成领导，研究了在红藻中发现的一种特殊类型的蛋白质。这些蛋白质被称为藻胆蛋白，负责吸收藻类细胞内的光，启动光合作用。
藻胆蛋白从包括叶绿素吸收不良的波长在内的光谱范围内获取光能，并将其转化为电能。
陈助理教授说:「藻胆蛋白因其独特的发光和光合作用特性，在生物科技和固态器件方面有广阔的应用前景。提高光收集装置的能量一直是以光为能源的有机设备开发工作的核心。”
使用藻类作为生物能源是可持续发展和可再生能源领域的热门话题，因为藻类的使用有可能减少太阳能电池板制造过程中产生的有毒副产品。
该研究支持NTU对可持续性的承诺，作为其2025年战略计划的一部分，该计划寻求理解、阐明和解决人类对环境的影响。
这些发现被发表并被选为科学杂志《ACS应用材料界面》的封面。
三倍人工光合作用效率
微藻吸收阳光并将其转化为能量。为了放大藻类能产生的能量，研究小组开发了一种方法，将红藻包裹在20至40微米大小的小液晶微滴中，并将其暴露在光线下。
当光线击中液滴时，会出现一种被称为“回音壁模式”的效应，光波在液滴的弯曲边缘传播。光被有效地捕获在液滴中更长的时间，给光合作用提供更多的机会，从而产生更多的能量。
光合作用过程中产生的能量以自由电子的形式通过电极作为电流被捕获。
“液滴的行为就像一个限制了大量光线的谐振器，”助理教授陈说。
“这使藻类更多地暴露在光线下，提高了光合作用的速率。用藻类蛋白覆盖液滴外部也可以获得类似的结果。”
“通过利用微液滴作为光收集生物材料的载体，液滴内部的强局部电场增强和光子限制导致显著更高的发电量，”他说。
这些液滴可以很容易地以低成本批量生产，使得研究小组的方法广泛适用。
据陈助理教授介绍，大多数藻类太阳能电池每平方厘米产生20-30微瓦的电能。与单独的藻类蛋白质的能量产生速率相比，NTU藻类-液滴组合将这种水平的能量产生提高了至少两到三倍。
将“生物垃圾”转化为生物能源
人工光合作用的挑战之一是像太阳能电池板等其他太阳能能源一样高效地产生能量。平均而言，太阳能电池板的效率为15%至20%，而人工光合作用的效率目前估计为4.5%。
陈助理教授说:“人工光合作用发电效率不如太阳能电池。然而，它更具可再生性和可持续性。由于对环境友好和可再生技术的兴趣日益增加，从藻类的光收集蛋白质中提取能量已经引起了生物能源领域的极大兴趣。”
陈助理教授设想了一个潜在的“藻类农场”的使用案例，在那里，水体中密集生长的藻类最终可以与更大的液晶液滴结合，产生漂浮的发电机。
“我们实验中使用的微液滴有可能放大成更大的液滴，然后应用于劳动环境之外的藻类，以产生能量。虽然有些人可能认为藻类生长不雅观，但它们在环境中起着非常重要的作用。我们的发现表明，有一种方法可以将一些人可能认为的“生物垃圾”转化为生物能源，”助理教授陈说。
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