利用藻類實現更綠色的燃料電池
【博科園-科學科普】劍橋大學(University of Cambridge)的研究人員開發了一種新型的藻類燃料電池，其效率比現有的植物和藻類模型高5倍，而且生產和實際使用的成本更低。隨著全球人口的增加，能源需求也隨之增加。氣候變化的威脅意味著迫切需要找到更清潔、可再生的替代化石燃料的替代品，而這些化石燃料不會造成大量的溫室氣體，並可能對我們的生態系統造成災難性的後果。太陽能被認為是一種特別有吸引力的來源，因為在給定的時間內，地球接收太陽的能量大約是人類消耗的1萬倍。
近年來，除了合成的光電器件外，雙光電學(BPVs，又稱生物太陽能電池)已經成為一種環保、低成本的太陽能收集方法，並將其轉化為電流。這些太陽能電池利用微生物的光合特性，如藻類，將光轉換成電流，可以用來提供電力。在光合作用過程中，藻類產生電子，其中一些電子被出口到細胞外，在那裡它們可以為電力設備提供電流。到目前為止，所有的BPVs都顯示了充電(光收集和電子產生)和功率傳輸(傳輸到電路)在一個單獨的隔間里;這些電子一旦被分泌出來，就會產生電流。
圖片：Wikipedia
在《自然》雜誌上描述的新技術能源部門的研究人員生物化學、化學和物理合作開發一個兩院BPV系統所涉及的兩個核心流程的操作的太陽能電池——一代電子和他們的權力轉換——分離。充電和電力輸送往往有相互衝突的要求。例如，充電單元需要暴露在陽光下，以允許高效充電，而供電部分不需要暴露在光線下，但應能有效地將電子轉換為電流，並減少損耗。
構建一個雙室系統可以讓研究人員獨立地設計兩個單元，並通過這個優化同時優化過程的性能。分離充電和電力輸送意味著我們能夠通過微型化提高供電單元的性能，化學和卡文迪什實驗室的Tuomas Knowles教授解釋道。在微型尺度下，流體的表現非常不同，使我們能夠設計出更高效、內阻更低、電損耗減少的電池。
研究小組使用了經過基因改造的藻類來進行基因突變，從而使細胞在光合作用過程中產生的電荷減少。與新設計一起，這使得研究人員能夠建造一個功率密度為0.5 W/m2的雙光電池，這是他們之前設計的5倍。雖然這仍然只是傳統太陽能電池提供的能量密度的十分之一，但是這些新的BPVs具有一些吸引人的特性。
生物化學系的Christopher Howe教授說：雖然傳統的硅基太陽能電池比太陽能電池更有效率，但它們轉化為電能的能量，卻有其他類型的材料具有吸引力。特別是由於藻類生長和自然分裂，基於它們的系統可能需要較少的能源投資，並且可以以分散的方式生產。
研究人員稱，將發電和存儲部件分離也有其他好處。電荷可以儲存，而不是立即使用——這意味著電荷可以在白天產生，然後在夜間使用。雖然以藻類為燃料的燃料電池不太可能產生足夠的電力來為電網供電，但它們在非洲農村等地區可能特別有用，因為那裡陽光充足，但沒有現有的電網系統。此外，研究人員說，雖然半導體的合成光伏發電通常是在專用設備上生產的，但生產的BPVs可以由當地社區直接進行。
來自生物化學系的Paolo Bombelli博士說：這在尋找可替代的綠色燃料方面邁出了一大步。這些發展將使以藻類為基礎的系統更接近實際的實施。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Nature Energy
內容：「博科園」判定符合今主流科學
來自：劍橋大學提供
編譯：中子星
審校：博科園
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傳播：博科園
這在尋找可替代的綠色燃料方面邁出了一大步。這些發展將使以藻類為基礎的系統更接近實際的實施。
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