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2021-06-16 10:20 |
研究人员通过模仿植物实现人工光合作用
人类可以做很多植物做不到的事情。我们可以四处走动、我们可以交谈、我们可以听到声音、看到和触摸东西。但植物比人类有一个主要优势：它们可以直接从太阳中获取能量。 hO(HwG?8t
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这种将阳光直接转化为可用能源的过程--称为光合作用--可能很快就会成为人类能够模仿的一项壮举，即利用太阳能制造清洁、可储存、高效的燃料。如果是这样，它将开辟一个全新的清洁能源领域。据悉，以阳光的形式在一小时内到达地球的能量足以满足人类文明一整年的能源需求。 i%\nJs*
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近日，来自普渡大学科学学院的物理学教授、生物物理学家Yulia Puskhar可能已经有了一种通过模仿植物来利用这种能量的方法。 Y,)9{T
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风能和太阳能是两种主要的清洁能源，它们都是由光伏电池驱动。现在这个第三种--合成光合作用--将极大地改变可再生能源的格局。这种不需要笨重电池就能轻松储存能量的能力将极大地提高人类清洁高效地为社会提供动力的能力。 pp{%\td
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风力涡轮机和光伏发电在环境影响和复杂因素方面都有缺点。Pushkar希望人工光合作用能绕过这些陷阱。“我们和世界各地的其他研究人员正在非常努力地工作试图找到可获得的能源。我们可以用无毒、易得的元素创造出清洁、可持续的能源。我们的人工光合作用是前进的方向，”她说道。 TyK;
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光合作用是一个复杂的过程，植物将太阳的光辉和水分子转化为可用的葡萄糖形式的能量。为了做到这一点，它们使用了一种色素--通常是知名的叶绿素--以及蛋白质、酶和金属。 s&fU|Jk8
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当今人类最接近人工光合作用的过程是光伏技术，即利用太阳能电池将太阳能转化为电能。然而这一过程的效率是出了名得低，只能捕获约20%的太阳能。另一方面，光合作用的效率更高，它能将60%的太阳能作为化学能量储存在相关的生物分子中。 fc!%W#-
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简单的光伏电池（太阳能电池板）的效率受到半导体吸收光能和电池发电能力的限制。科学家们可以通过合成光合作用来超越这个极限。 (/hF~A
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“通过人工光合作用，没有基本的物理限制，”Pushkar说道，“你可以很容易地想象出一个60%效率的系统，因为我们已经有了自然光合作用的先例。如果我们雄心勃勃，我们甚至可以设想出一个效率高达80%的系统。当涉及到分解水时，光合作用非常高效，这是人工光合作用的第一步。植物中光合系统II蛋白质每秒做一千次。一眨眼一切就结束了。” 4&&j7$ aV
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Pushkar的团队正在模仿这一过程，其在建造他们自己的人造叶子模拟物，它可以收集光并分解水分子来产生氢气。氢则可以通过燃料电池本身作为燃料使用，也可以添加到天然气等其他燃料中或内置到燃料电池中，进而为汽车、房屋、小型电子设备、实验室和医院等提供动力。Pushkar最近的发现深入了解了水分子在光合作用中分裂的方式。 t zV"|s=o
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在Pushkar的实验室里，研究人员们利用光合系统II蛋白质和合成催化剂组合进行实验进而试图了解什么是最有效的以及为什么。另外，她还优先使用了地球上极为丰富、容易获取、对地球无毒的化合物和化学物质。 { 8" W
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然而人工光合作用的进展是复杂的，因为光合作用是多方面的，这一事实让来自世界各地的生物化学学生都感到惋惜。 ow`\7qr
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Pushkar表示：“反应非常复杂。分解水分子的化学过程极其复杂和困难。” o/&:w z
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不过Pushkar认为，在未来的10-15年内将取得足够的进展，并最终或能使商业人工光合作用系统开始上线。
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