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人工光合作用目前的进展和难点是什么?优质

571次浏览| 2022-07-26 16:53:30 更新
来源:互联网
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人工模拟光合作用反应中心光诱导电子转移(PET)过程的工作展开已久。20世纪90年代初期以前人们构建的光合作用人工模拟体系主要是光敏色素,电子给体和受体共价键结合的体系,其中的色素通常采用与叶绿素结构类似的卟啉类衍生物,通过共价键代替了生物蛋白的作用。人工模拟体系的设计主要基于两方面考虑:一是如何选择光敏色素、电子给体和受体,特别关键的是其激发态能级,光物理参数以及相关态之间的氧化还原反应电势;二是如何选择控制模型体系中各组件之间的相互作用和组织原则,因为这对量子转移过程的速率及量子效率方面起到主要作用。

最新和最复杂的通过分子间相互作用构筑光合作用人工模拟体系的工作由胡义镇和Itaru[2]  他们合成了血红素-联吡啶钌-环二(百草枯-对亚苯基)模型体系,该体系包括敏化剂三(2,2‘-联吡啶)钌络合物、受体环二(百草枯-对亚苯基)(BXV4+0和作为次级电子给体的血红素部分(与一个联吡啶配体共价键结合),然后再与肌红蛋白重组,进而进行PET研究,结果得到了可以与天然体系相比的长寿命的电荷分离态Mb(FeⅣ=O)-Ru2+BXV3+ ,其寿命大于2ms,而且是在水溶液中进行的。

还有一种通过特殊催化剂光解水的模拟方法也取得了新的进展。据国外媒体报道,美国麻省理工学院(MIT)的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程,在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧,并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用,这种技术将引发一场太阳能使用革命,并补偿煤炭,石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉(Daniel Nocera)和卡南(Matthew Kanan),他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气,这种方法的原理和光合作用差不多,只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。

虽然找到了理想的催化剂,但研究人员表示,这可能是偶然之中的意外收获,还有很多问题有待解决,解决这些问题将有利于进一步提高催化效率。

光合作用广泛存在于自然界,叶绿体收集太阳光能,将水和二氧化碳转化为有机物(首先是葡萄糖),放出氧气。

但这只是最终结果,整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧,自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应,叶绿素分子失去两个电子,水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述,但是想人工实现这一过程却绝非易事,主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介,在植物中充当这一媒介的是叶绿体。

众所周知,水能够电解成氢和氧,但整个过程毫无意义。为了提高这一性能,化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。只有钌和铂能充当这种媒介,当然这两种金属都很昂贵,除此之外,反应要进行还需要特定的温度条件和气压。

模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来,研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式,科学家早已能够完成水的分解反应,但这些化学反应条件非常苛刻,温度很高,溶液具有腐蚀性很强的碱性,而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样,分解水的反应在室温下就可进行,溶液也没有腐蚀性,更重要的是催化剂非常便宜,可以很容易地得到氢气和氧气。

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