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現在科學家對植物的光合作用機理研究到什麼程度了?離人工光合作用製造有機物還有多遠?
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  • 1 # 賽鴿帝國老陳

    尤里希研究中心太陽能電池科學家們所研發的光合作用系統是一套緊湊型獨立裝置,其靈活的設計也允許裝置的擴充套件升級。這一設計理念可應用於薄膜光伏技術和各類電解槽裝置。

    未來,太陽能和風能將成為人類的重要資源,可再生能源的高效儲能技術研究愈發重要。正如能源本身一樣,這種儲能技術也應是環保的且低成本的。在直接光電化學水分分解技術成功研發後,這一趨勢更加明顯,即太陽能電池與電解槽裝置的完美結合可人工光合作用。透過這種方法,太陽能可直接轉化為可普遍儲存的氫介質。科學家從20世紀70年代就開始研究這一過程,但是直到近年來才得到社會的廣泛關注。迄今為止,研究人員仍專注於材料科學領域的,來提高轉化率。

    但是,尤里希研究中心的太陽能電池研究人員Jan-Philipp Becker和Bugra Turan致力於研究截至目前仍被人們忽略的實際應用,即,如何將這項技術從科學家們的實驗室中走出來,而真正應用於現實生活。Burga Turan指出,到目前為止,我們僅在實驗室中對光電化學水分解裝置進行了試驗,雖然對獨立元件和材料進行了改進,但該技術仍未完成實際應用。

    緊湊、完整與可擴充套件性

    尤里希研究中心能源與氣候研究所的兩名專家研發的這項設計與常見的實驗室裝置有著明顯的差異。研究人員將獨立元件的尺寸縮小到指甲大小,並透過電線將其連線,進而研發出了這種緊湊型獨立系統,且完全由低成本的常見材料構造。

    研究人員對光電化學水分解原型裝置進行了測試。測試過程將整個系統浸入氫氧化鉀水溶液,然後使用日光燈進行照射,使太陽能電池生成1.8 V的電壓,之後電解槽(正面帶有泡沫鎳條紋,作為陽極和陰極)即可利用電壓將水分解為氫氣和氧氣。

    Jan-Philipp Becker指出,該裝置的表面積僅為64 cm2,因此其元件尺寸較小。但該裝置的精妙之處就在於其靈活設計。透過不斷重複這一基礎單元,我們未來有可能將其組建成幾平方米的整合系統。基礎單元本身由多個透過特殊的鐳射技術互相連線的太陽能電池構成。這種串聯方式意味著各個基礎單元都必須達到1.8 V的電壓才可生成氫氣。這種方法與實驗室通常採用的比例增大概念形成了鮮明的對比,將實現更高的轉化效率。

    與多種技術相容

    Bugra Turan指出,該樣機目前的太陽能-氫氣的轉化率為3.9 %,似乎並不是很高。但是,該樣機只是整套設施的首個雛形,仍有很大的發展空間。研究人員補充說,事實上,自然光合作用的效率僅為1%。而Jan-Philipp Becker認為,尤里希研究中心能夠在短時間內利用常見的太陽能電池材料將轉化率提高到10%。但也可採用其他方法實現轉化過程,例如:鈣鈦礦,一種新型雜化材料,能夠將轉化率提高至14%。

    這也是這一設計的最大的優勢之一,其優化了光電部分將太陽能轉化為電能以及透過電力實現水分解的兩個重要元件。目前,尤里希研究中心研究人員已經為這一設計理念申請了專利,使其能夠應用於多種薄膜光伏技術和多種電解槽裝置。Becker表示,研究人員目前正在將該技術投向市場,這為成功實現應用奠定了基礎。

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