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陰天也能發(fā)電的“細菌太陽(yáng)能電池”

2019-04-30 11:17:22 admin

   太陽(yáng)能發(fā)電有許多好處,比如減少化石燃料的使用、更加清潔、取之不盡用之不竭、不會(huì )產(chǎn)生碳足跡等。但也有局限性,那就是必須有太陽(yáng),如果陰天就沒(méi)法兒了。

    現在,一種利用染料將光轉化為能量的基因工程菌(genetically engineered bacterium)可能會(huì )改變陰天不能用太陽(yáng)能發(fā)電的狀況。加拿大不列顛哥倫比亞的科學(xué)家從大腸桿菌中建造了一個(gè)廉價(jià)的、可持續的太陽(yáng)能電池,從而創(chuàng )造了一個(gè)生物成因的太陽(yáng)能電池,之所以取這個(gè)名字,是因為這種電池是由生物體構成的。這并不是第一個(gè)試驗性的生物成因太陽(yáng)能電池,但這次的電池和以往的都不同,科學(xué)家表示現在的這種電池能產(chǎn)生更強大的電流。而且,這種電池在昏暗的陽(yáng)光下也能像在明亮的陽(yáng)光下一樣有效。

   不論是什么材料,只要能在陽(yáng)光照耀下發(fā)生反應釋放電子,那么可以嘗試用于太陽(yáng)能發(fā)電。在生物太陽(yáng)能電池中,被陽(yáng)光喚起的材料就是生物性的。常規情況下,太陽(yáng)能電池板利用無(wú)機的晶體硅來(lái)產(chǎn)生電流,而現在,晶體硅就換成了染料。

   “不列顛哥倫比亞迫切地希望成為世界上最主要的去碳化經(jīng)濟體之一,”不列顛哥倫比亞大學(xué)化學(xué)和生物工程學(xué)系教授維克拉姆帝亞˙亞達夫(Vikramaditya Yadav)說(shuō)道。“清潔能源的生產(chǎn)與供應是實(shí)現這一目標的關(guān)鍵,而太陽(yáng)能是能源部門(mén)實(shí)現去碳化的主要候選。然而,不列顛哥倫比亞冬季天氣陽(yáng)光條件不好,在這種情況下,想利用好太陽(yáng)能,就得需要一種獨特的光伏材料。”

   亞達夫表示,他們的解決方案耗資不高,而且最終“可以像傳統的光伏發(fā)電一樣,發(fā)揮同等的效率。”即使這些新的生物性細胞達不到傳統材料的強度,研究人員仍認為這些新材料可以在某些微光環(huán)境中發(fā)揮出重要作用,比如說(shuō)礦井和深??碧?。

   “我們相信,生物成因太陽(yáng)能電池將是對無(wú)機太陽(yáng)能電池技術(shù)的有益補充,”亞達夫說(shuō)道。“即使處在發(fā)展初期,但這項技術(shù)的應用前景比較明晰、廣闊。探索微光環(huán)境、比如礦井,就會(huì )用到生物細胞驅動(dòng)的傳感器,比如我們開(kāi)發(fā)的這種裝置。”

圖注:上面的概念圖展示了太陽(yáng)能電池的陽(yáng)極是由生物材料制成的,而這種生物材料又是由能產(chǎn)生番茄紅素的表面覆有二氧化鈦納米顆粒的橘色球狀細菌制成的。(圖/維克拉姆帝亞˙亞達夫)

   以前,構建生物太陽(yáng)能電池的嘗試主要集中于提取天然染料,因為細菌需要這些染料來(lái)進(jìn)行光合作用。這個(gè)過(guò)程復雜且成本高昂,會(huì )用到有毒材料,這就會(huì )對染料造成傷害。加拿大研究人員決定嘗試一些不同的方案。研究人員把染料留在細菌中,使之與有機體進(jìn)行作用,從而誘導細菌產(chǎn)生大量番茄紅素。這種番茄紅素和番茄及其他紅色水中發(fā)現的染料的相同的。?

   然后,研究人員在細菌上覆蓋了一層礦物,這種礦物扮演著(zhù)半導體的角色,并將這種混合物敷在了玻璃表面。在細胞的一端涂上一層鍍膜玻璃作為陽(yáng)極,常規電流會(huì )通過(guò)這個(gè)陽(yáng)極,這種裝置產(chǎn)生的電流密度比該領(lǐng)域領(lǐng)域其他試驗的產(chǎn)生的電流密度要大得多。具體值是每平方厘米0.686毫安對比每平方厘米0.362毫安。這項試驗的結果發(fā)表在《Small》期刊上。

   利用光敏染料并不是新概念,但在以往的研究中卻遇到過(guò)障礙。1988年,瑞士科學(xué)家邁克爾˙格拉茲爾(MichaelGr?tzel)利用光敏染料開(kāi)發(fā)了一種太陽(yáng)能電池,這種電池就叫做染料敏化太陽(yáng)能電池(dye-sensitizedsolarcell,簡(jiǎn)稱(chēng)DSSC)。

   “大多數染料敏化太陽(yáng)能電池都有些明顯的局限,”亞達夫說(shuō)道。“從自然資源中提取染料需要使用有毒溶劑和能量,而且,在進(jìn)入太陽(yáng)能電池之前,染料對光線(xiàn)的敏感性就會(huì )有顯著(zhù)的退化。我們開(kāi)發(fā)的裝置直接解決了這些局限性,并設法使這種太陽(yáng)能電池投入生產(chǎn),這個(gè)特別適合在光線(xiàn)暗的環(huán)境中使用,而且我們的裝置更便宜。”

   盡管如此,這種裝置也存在一些問(wèn)題。細菌在發(fā)電過(guò)程中會(huì )死亡,所以找到使之存活的方法,就能更高效地利用之,因為細菌可以無(wú)限地產(chǎn)生染料。同時(shí),研究人員計劃對細胞進(jìn)行微調,使其能像傳統太陽(yáng)能電池一樣提供更多的能量。

   “我們的發(fā)明是第一代原型,因此想要到達硅太陽(yáng)能電池的水平還需很大的改進(jìn),硅太陽(yáng)能電池的電流密度是我們這種第一代原型的25倍,”亞達夫說(shuō)道。“我們并不認為我們的技術(shù)是傳統太陽(yáng)能電池的競爭對手,不管怎么說(shuō),我們還達不到傳統太陽(yáng)能電池的發(fā)電水平。”

   像以往很多科學(xué)發(fā)現一樣,這項研究也是偶然所得。“我們最初的動(dòng)機是開(kāi)發(fā)細菌‘小型工廠(chǎng)’以生產(chǎn)大量番茄紅素和其他類(lèi)胡蘿卜素分子來(lái)制作保健營(yíng)養品,”亞達夫說(shuō)道。“然而,我們的團隊在儲存新產(chǎn)生的番茄紅素時(shí)遇到了挑戰。”

   把番茄紅素儲存在透明的玻璃瓶中,它們就會(huì )迅速降解,因此研究人員又換成了不透明的瓶子。問(wèn)題解決了,但這一發(fā)現引發(fā)了更多的科學(xué)問(wèn)題,隨后研究人員開(kāi)辟了一個(gè)探索的新途徑。“在化學(xué)中,降解通常意味著(zhù)釋放電子,我們就想:如果電子釋放的速率足夠高,是不是就能產(chǎn)生可測量的電流呢?”亞達夫說(shuō)道。

   “研究小組里的一名學(xué)生,在看到番茄紅素在透明瓶子里的變化后,大聲說(shuō):‘番茄紅素在陽(yáng)光下這么容易降解嗎?如果我們將其放到太陽(yáng)能電池里會(huì )怎樣?’這個(gè)問(wèn)題激起了我們發(fā)展染料敏化太陽(yáng)能電池的興趣,”亞達夫回憶道。“直接在細菌上使用礦物涂層的決定是一場(chǎng)賭博,而這場(chǎng)賭博最后得到了回報。機緣巧合是科學(xué)家的偉大盟友,我們非常感謝這個(gè)意外的發(fā)現以及那位好奇的學(xué)生,因為他問(wèn)了一句‘為什么不能試試呢?’”

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