人工“葉綠體”助力“水變氫”

聚焦植物生物學(xué)的化學(xué)反應(yīng)途徑已被改造成一種利用太陽能將水轉(zhuǎn)化為氫燃料的新型技術(shù)。美國能源部阿貢國家實驗室最新一項研究表明，科學(xué)家將兩種膜結(jié)合蛋白質(zhì)復(fù)合物組合起來，完成了水分子向氫和氧的完全轉(zhuǎn)換。這項研究報告發(fā)表在近期出版的《化學(xué)科學(xué)》雜志上。

該研究基于一項早期研究，檢測了一種叫做“光系統(tǒng)I”的蛋白質(zhì)復(fù)合物。它是一種膜蛋白質(zhì)，可以使用光能向一種制造氫的無機催化劑提供電子，然而這僅占整個制氫過程的一半進(jìn)程。

阿貢國家實驗室化學(xué)家Lisa Utschig和同事通過使用第二種蛋白質(zhì)復(fù)合物——“光系統(tǒng)II”，利用光能分解水，并從中獲取電子。他們能夠從水中獲取電子，再將它們輸入“光系統(tǒng)I”之中。

Lisa Utschig說：“該設(shè)計的完美之處在于它的簡單性，利用天然膜自行組裝催化劑，實現(xiàn)所預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)。”

在早期實驗中，研究人員向“光系統(tǒng)I”提供源自犧牲電子供體的電子，該技術(shù)在于如何讓兩個電子快速連續(xù)地進(jìn)入催化劑中。

這兩種蛋白質(zhì)復(fù)合物能夠嵌入類囊體膜，就像高等植物中生成氧氣的葉綠體一樣。這種天然膜是直接從自然界提取的，它對這兩種光系統(tǒng)的配對至關(guān)重要。從結(jié)構(gòu)上，天然膜同時支持兩種光系統(tǒng)，并為蛋白質(zhì)內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移提供直接途徑，但并不妨礙催化劑與“光系統(tǒng)I”的結(jié)合過程。

Lisa Utschig表示，該模型是光觸發(fā)類囊體膜自然光合作用電子傳輸鏈的技術(shù)與合成催化劑的巧妙結(jié)合。

另一項改進(jìn)是，使用鈷或者鎳催化劑取代之前研究中使用的昂貴鉑催化劑，最新采用的鈷或者鎳催化劑能夠大幅降低潛在成本。(楊艷)

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1039/C8SC02841A