覆盖在池塘和海洋表面的各种各样的普通藻类可能是提高人工光合作用效率的关键，让科学家在这个过程中产生更多的能量和更低的浪费。
新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家进行的一项研究表明，将藻类蛋白质包裹在液滴中，可以极大地提高藻类的捕光和能量转换性能，最高可提高三倍。这种能量是在藻类进行光合作用时产生的，光合作用是植物、藻类和某些细菌利用太阳能并将其转化为化学能的过程。
通过模拟植物如何将阳光转化为能量，人工光合作用可能是一种不依赖化石燃料或天然气的可持续发电方式，这些都是不可再生的。由于从阳光到电力的自然能量转换率很低，提高整体发电量可以使人工光合作用在商业上可行。
该研究由电气与电子工程学院助理教授陈玉成领导，研究了在红藻中发现的一种特殊蛋白质。这些蛋白质，被称为藻胆蛋白，负责吸收藻类细胞内的光来启动光合作用。
藻胆蛋白从不同光谱范围的光波中获取能量，包括叶绿素吸收不好的光波，并将其转化为电能。
陈助理教授说:“由于藻胆蛋白具有独特的发光和光合特性，在生物技术和固体器件方面有潜在的应用前景。”从收集光的设备中增加能量一直是利用光作为能源的有机设备发展努力的中心。”
该团队的研究可能会导致一种新的、可持续的太阳能发电方式，不依赖化石燃料或天然气，这些都是不可再生的。基于藻胆蛋白的新生物启发技术可以用来制造更高效的太阳能电池，并为提高人工光合作用的效率铺平道路。
利用藻类作为生物能源是可持续发展和可再生能源领域的一个热门话题，因为藻类的使用可能会减少太阳能电池板制造过程中产生的有毒副产品的数量。
这项研究支持南大将可持续发展作为其2025年战略计划的一部分的承诺，该计划旨在理解、阐明和解决人类对环境的影响。
这一研究结果被发表在科学杂志《ACS Applied Materials Interfaces》的封面上。
3倍的人工光合作用效率
微藻吸收阳光并将其转化为能量。为了扩大藻类产生的能量，研究组开发了将红藻类包裹在20 ~ 40微米大小的小液晶微滴中，并将其暴露在光下的方法。
当光线照射到液滴上时，就会产生一种被称为“低语廊道模式”的效应，即光波沿着液滴的弯曲边缘传播。光线在液滴中被有效地滞留更长的时间，为光合作用的发生提供了更多的机会，从而产生更多的能量。
光合作用过程中以自由电子的形式产生的能量可以通过电极以电流的形式捕获。
助理陈教授说:“这个液滴就像一个谐振器，限制了很多光。”“这使藻类更多地暴露在光下，增加光合作用的速度。类似的结果也可以通过在液滴的外部涂上藻类蛋白质来获得。”
他说:“通过利用微液滴作为光收集生物材料的载体，液滴内部的强局部电场增强和光子限制导致了显著更高的发电量。”
这种液滴可以以较低的成本批量生产，这使得该研究团队的方法具有广泛的适用性。
据陈助理教授介绍，大多数藻类太阳能电池每平方厘米(W/cm2)能产生20-30微瓦的电能。与单独使用藻类蛋白相比，南洋理工大学的藻类-液滴组合将这种水平的能量产生率提高了至少两到三倍。
将“生物垃圾”转化为生物能源
人工光合作用旨在复制植物将阳光转化为化学能的自然生物过程。其目标是建立一种方法，使能源可再生、可靠、可储存，而不会对环境产生负面影响。
人工光合作用的挑战之一是像其他太阳能能源(如太阳能电池板)那样有效地产生能量。平均而言，太阳能电池板的效率等级为15%至20%，而人工光合作用目前的效率估计为4.5%。
助理教授陈说:“人工光合作用在发电方面不如太阳能电池有效。然而，它更可再生，更可持续。由于人们对环保和可再生技术越来越感兴趣，从藻类中提取光能蛋白质已经引起了生物能源领域的极大兴趣。”
陈助理教授设想了“藻类农场”的一个潜在应用案例，即水体中生长密集的藻类最终可以与较大的液晶液滴结合，制造出浮动发电机。
“在我们的实验中使用的微滴有潜力扩大到更大的液滴，然后可以应用到实验室环境之外的藻类来创造能源。虽然有些人可能认为藻类的生长很难看，但它们在环境中扮演着非常重要的角色。我们的研究结果表明，有一种方法可以将某些人认为的‘生物垃圾’转化为生物能源。”
参考:
袁志毅，程鑫，李素玉，周云科，张一凡，龚学瑞，张国恩，Muhammad D. Birowosuto，党强，陈玉成。在Biophoto聚光 nic光流控微腔通过低语廊道模式。ACS应用材料与界面，2021;13 (31): 36909 DOI: 10.1021/acsami.1c09845
