工程师们利用藻类细胞发电

2019-12-31 246藻类

工程师们利用藻类细胞发电:斯坦福大学的科学家们将藻类细胞接入其中,并利用了一种微小的电流。他们发现它正是能量生产的源头——光合作用,一种植物将阳光转化为化学能的方法。研究人员说,这可能是生产“高效”生物电的第一步,这种生物电不会产生二氧化碳作为副产品。

“我们相信我们是第一个从活的植物细胞中提取电子的,”WonHyoung Ryu说,他是发表在《纳米快报》3月刊上的论文的第一作者。Ryu在担任机械工程教授Fritz Prinz的助理研究员时进行了这些实验。

工程师们利用藻类细胞发电

工程师们利用藻类细胞发电:斯坦福大学的研究小组开发了一种由金制成的独特的、超锋利的纳米电极,专门用于探测细胞内部。他们轻轻地把它穿过包围着它的海藻细胞膜,细胞就活了下来。在进行光合作用的细胞中,电极收集了被光激发的电子,研究人员产生了微小的电流。

“我们的研究仍处于科学阶段,”Ryu说。“我们用单个细胞来证明我们可以获得电子。”

植物利用光合作用将光能转化为化学能,化学能储存在它们用作食物的糖类中。这一过程发生在叶绿体中,叶绿体是产生糖类并赋予树叶和藻类绿色的细胞能量。在叶绿体中,水被分解成氧、质子和电子。阳光穿透叶绿体,将电子轰击到高能量水平,然后蛋白质迅速捕获它们。这些电子被传递给一系列的蛋白质,这些蛋白质依次捕获越来越多的电子能量来合成糖,直到消耗完所有的电子能量。

研究内容

在这个实验中,研究人员在电子被光激发并处于最高能量水平时截获了它们。他们将金电极放置在藻类细胞的叶绿体中,然后吸走电子来产生微小的电流。

研究人员说,其结果是电力生产不会向大气中释放碳。光合作用的唯一副产品是质子和氧气。

“这可能是最清洁的能源之一,”Ryu说。“但问题是,这在经济上可行吗?”

Ryu说,他们能够从每个细胞中提取1微微安培的电能,这是一个非常小的电量,他们需要1个小时的1万亿个细胞进行光合作用,这才相当于一个AA电池所储存的能量。此外,细胞在一小时后死亡。Ryu说,电极周围膜上的微小泄漏可能会杀死这些细胞,或者它们可能会死亡,因为它们正在失去它们通常用于自身生命过程的能量。下一步将是调整电极的设计以延长电池的寿命,Ryu说。

研究意义

Ryu说,这种收集电子的方式比燃烧生物燃料更有效,因为大多数以燃料为燃料的工厂最终只能储存大约3%到6%的太阳能。他的方法绕过了燃烧的需要,燃烧只利用了工厂储存能量的一部分。在这项研究中,收集电子的效率约为20%。Ryu说,理论上它有一天可以达到100%的效率。(光伏太阳能电池目前的效率约为20%至40%。)

接下来可能的步骤是使用一种有更大叶绿体的植物来获得更大的收集区域,并使用更大的电极来捕获更多的电子。Ryu说,随着植物寿命的延长和更好的收集能力,他们可以扩大这个过程。Ryu现在是韩国首尔延世大学的教授。

引用

Stanford University. "Engineers generate electricity by tapping into algae cells." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 April 2010.
www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100413121336.htm.

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