覆蓋在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)家能夠在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生更多的能量和更少的廢物。

新加坡南洋理工大學(xué)(NTU新加坡)的科學(xué)家們進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，將藻類蛋白質(zhì)包裹在液滴中如何能夠?qū)⒃孱惖牟豆夂湍芰哭D(zhuǎn)換特性大幅提高三倍。這種能量是藻類進(jìn)行光合作用時(shí)產(chǎn)生的，光合作用是植物、藻類和某些細(xì)菌利用陽(yáng)光中的能量并將其轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程。

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

這項(xiàng)研究由電子電氣工程學(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)。這些蛋白質(zhì)被稱為藻膽蛋白，負(fù)責(zé)吸收藻類細(xì)胞內(nèi)的光，以啟動(dòng)光合作用。
 
藻膽蛋白從整個(gè)光譜范圍的光波長(zhǎng)中獲取光能，包括那些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(shuō):“由于其獨(dú)特的發(fā)光和光合特性，藻膽蛋白在生物技術(shù)和固態(tài)設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用前景。提高集光設(shè)備的能量一直是利用光作為能源的有機(jī)設(shè)備開發(fā)工作的核心。”

該團(tuán)隊(duì)的研究可能會(huì)導(dǎo)致一種新的，可持續(xù)的太陽(yáng)能發(fā)電方式，不依賴于不可再生的化石燃料或天然氣。基于藻膽蛋白的新生物技術(shù)可用于制造更高效的太陽(yáng)能電池，并為人工光合作用的更高效率鋪平道路。

使用藻類作為生物能源是可持續(xù)發(fā)展和可再生能源領(lǐng)域的熱門話題，因?yàn)樵孱惖氖褂每赡軙?huì)減少太陽(yáng)能電池板制造過(guò)程中產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)品的數(shù)量。

該研究支持NTU將可持續(xù)發(fā)展作為其2025年戰(zhàn)略計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在了解、闡明和解決人類對(duì)環(huán)境的影響。

這些發(fā)現(xiàn)被發(fā)表并被選為科學(xué)雜志的封面——ACS應(yīng)用材料.

三倍人工光合作用效率
微藻吸收陽(yáng)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，將紅藻包裹在尺寸為20至40微米的小液晶微滴中，并將其暴露在光線下。

當(dāng)光線照射到液滴上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種被稱為“回音廊模式”的效果，光波在液滴的彎曲邊緣周圍傳播。光被有效地捕獲在液滴中更長(zhǎng)的時(shí)間，為光合作用提供更多的機(jī)會(huì)，從而產(chǎn)生更多的能量。

光合作用期間以自由電子形式產(chǎn)生的能量可以通過(guò)電極以電流的形式被捕獲。

“水滴的行為就像一個(gè)諧振器，限制了大量的光，”助理教授陳說(shuō)。“這給了藻類更多的光照，增加了光合作用的速率。用藻類蛋白質(zhì)覆蓋液滴的外部也可以獲得類似的結(jié)果。”
 
“通過(guò)利用微液滴作為集光生物材料的載體，液滴內(nèi)部的強(qiáng)局部電場(chǎng)增強(qiáng)和光子限制導(dǎo)致了顯著更高的發(fā)電量。”他說(shuō)。

這種液滴可以很容易地以低成本批量生產(chǎn)，使得研究小組的方法可以廣泛應(yīng)用。 陳助理教授說(shuō)，大多數(shù)基于藻類的太陽(yáng)能電池每平方厘米能產(chǎn)生20-30微瓦的電能2).與單獨(dú)的藻類蛋白質(zhì)的能量產(chǎn)生速率相比，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
人工光合作用旨在復(fù)制植物將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的自然生物過(guò)程。目標(biāo)是建立一種方法，使能源可再生、可靠和可儲(chǔ)存，而不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。

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

陳助理教授說(shuō):“人工光合作用的發(fā)電效率不如太陽(yáng)能電池。然而，它更具可再生性和可持續(xù)性。由于對(duì)環(huán)保和可再生技術(shù)的興趣越來(lái)越大，從藻類的捕光蛋白中提取能量已經(jīng)引起了生物能源領(lǐng)域的極大興趣。”

陳助理教授設(shè)想了“藻類農(nóng)場(chǎng)”的一個(gè)潛在應(yīng)用案例，即水體中密集生長(zhǎng)的藻類最終可以與更大的液晶液滴結(jié)合，制造出漂浮的發(fā)電機(jī)。

“我們實(shí)驗(yàn)中使用的微液滴有可能擴(kuò)大到更大的液滴，然后可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外應(yīng)用于藻類來(lái)產(chǎn)生能量。雖然有些人可能會(huì)認(rèn)為藻類生長(zhǎng)難看，但它們?cè)诃h(huán)境中起著非常重要的作用。我們的發(fā)現(xiàn)表明，有一種方法可以將一些人眼中的‘生物垃圾’轉(zhuǎn)化為生物能源，”助理教授陳說(shuō)。