利用天然薄膜从水中制造氢燃料

利用天然薄膜从水中制造氢燃料

一种植物生物学的核心化学反应途径已经被改造成一种利用太阳能将水转化为氢燃料的新工艺的主干。在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)最近的一项研究中，科学家们将两种膜结合蛋白复合物结合起来，完成了水分子向氢和氧的完全转化。

这项工作建立在早期的一项研究的基础上，该研究检测了这些蛋白质复合物中的一种，称为光系统I，这是一种膜蛋白，它可以利用光的能量将电子提供给一种制造氢的无机催化剂。然而，这部分反应只占整个制氢过程的一半。

Argonne的化学家Lisa Utschig和她的同事们使用了第二种蛋白质复合物，它利用光的能量分裂水并从中获取电子，这种复合物被称为光系统II。“这种设计的美妙之处在于它的简单——你可以用天然薄膜自行组装催化剂，实现你想要的化学反应，”阿贡化学家丽莎乌特希格(Lisa Utschig)说。

在早期的实验中，研究人员向光系统I提供了来自牺牲电子供体的电子。Utschig说:“关键是如何让两个电子快速连续地进入催化剂。”这两种蛋白复合物嵌入类囊体膜中，就像高等植物中产生氧气的叶绿体一样。Utschig说:“这种薄膜是我们直接从自然界中提取的，它对这两种光系统的配对至关重要。”“它在结构上同时支持两者，并为蛋白质间电子转移提供了直接途径，但不妨碍催化剂与光系统i结合。”

根据Utschig的说法，z模式——这是发生在类囊体膜上的自然光合作用的光触发电子传递链的技术名称——和合成催化剂非常巧妙地结合在一起。“这种设计的美妙之处在于它的简单性——你可以用天然薄膜自行组装催化剂，实现你想要的化学反应，”她说。

另一项改进是用钴或镍的催化剂取代了早先研究中使用的昂贵铂催化剂。新的钴或镍催化剂可以大大降低潜在成本。Utschig说，研究的下一步涉及到将膜结合的z计划纳入一个生命系统。她说:“一旦我们有了一个体内系统——在这个系统中，这一过程发生在生物体中——我们就能真正看到橡胶在制氢方面取得进展。”