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一种将菠菜中的光合蛋白结合在一起的方法

发布时间：2022-08-01 22:48:30编辑：来源：

美国大学的研究人员发现了一种将菠菜中的光合蛋白结合在一起的方法，该方法将光转化为电化学能，并将硅用于太阳能电池。

纳什维尔范德比尔特大学的研究小组表示，这种组合产生的电流远远超过以前生物混合太阳能电池所产生的电流。

该研究刚刚发表在在线期刊“先进材料”和范德比尔特大学已经申请了新方法的专利。

化学副教授DavidCliffel说：“这种组合产生的电流水平几乎是我们通过将蛋白质沉积在各种金属上所能达到的1000倍。它还会产生适度的电压增加。”

“如果我们能够继续保持目前增加电压和电流水平的轨迹，我们可以在三年内达到成熟的太阳能转换技术的范围。”

DavidCliffel与化学和生物分子工程教授KaneJennings合作完成了这个项目。

该团队现在计划使用该设计来构建一个工作的PS1硅太阳能电池。

凯特詹宁斯获得了环境保护局颁发的奖项，该奖项允许本科工程专业的学生创建原型。学生们在四年的国家可持续设计博览会上赢得了它，他们用两年前的设计创造了一块太阳能电池板。

凯特詹宁斯认为，一个2英尺的面板可能在一伏特时产生至少100毫安-这可能会为几个小型电气设备供电。

40多年前，人们发现光合系统1(PS1)是一种参与光合作用的蛋白质，在从菠菜等植物中提取后仍能发挥作用。然后还发现PS1将太阳光转换成电能几乎达到100pt，而人造装置的转换效率低于40%。这意味着PS1可用于创造更高效的太阳能电池。

与许多需要昂贵的铂或铟的微电子器件不同，生物杂化电池也可以由廉价且易于获得的材料构成。许多植物使用与菠菜相同的光合蛋白，而凯特詹宁斯也在研究另一项研究项目，寻找从葛根中提取PS1的方法。

研究人员已经找到了从叶子中有效吸收PS1的方法，并且已经证明它可以放入暴露在阳光下产生电流的细胞中，但生物混合细胞每平方英寸产生的能量明显低于商业光伏产生的能量。细胞。

另一个问题是长寿。一些早期测试细胞的表现在几周后下降。但在2010年，范德比尔特大学的研究人员将PS1电池保持了9个月，性能没有降低。

大卫克里菲尔说：“大自然知道如何做得非常好。例如，在常绿树木中，PS1会持续数年。我们只需要弄清楚如何自己做。”

范德比尔特大学的团队表示，其PS1/硅方法在0.3伏特下每平方厘米产生几乎毫安(850微安)的电流。这几乎是其他表现最好的生物杂交细胞的2.5倍。

这种组合效果非常好，因为硅基板的电气特性经过专门设计，可以与PS1分子相匹配。这是通过“掺杂”进行的-使用注入硅中的带电原子来改变其电性能。在这种情况下，蛋白质与掺杂有正电荷但不掺杂负掺杂硅的硅一起工作得很好。

为了构建该装置，该团队从菠菜中取出PS1，将其置于水溶液中并将其倒在正p掺杂硅晶片上。然后将晶片置于真空室中以蒸发水并留下约1微米或100PS1分子厚的蛋白质膜。

当PS1蛋白暴露于光时，其光子吸收能量并自由并将电子传输到蛋白质的一侧。这形成带正电荷的区域，称为空穴，其移动到蛋白质的另一侧。

在叶子中，所有PS1蛋白质都是对齐的，但在设备的蛋白质层中，单个蛋白质随机散开。之前建议的建模可能是一个大问题。

当蛋白质沉积在金属基底上时，它们在一个方向上提供金属收集的电子，而相反的那些从金属拉出电子以填充它们产生的孔。这意味着它们产生正电流和负电流，它们相互抵消并产生小电流。

但是p掺杂的硅允许电子流入PS1并且不接受来自蛋白质的电子，因此电子以相同的方向穿过电路。

“这不如蛋白质排列好，但它比我们之前的要好得多，”凯特詹宁斯补充道。

研究由研究生GabrielLeBlanc，GongpingChen和EvanGizzie进行。

该研究的资金来自国家科学基金会，EPSCoR和科学进步研究公司的Scialog计划。

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