葉綠素電池探索歷程

為了有效地收集太陽能，人們嘗試了各種方法，比如開發(fā)大面積、高效、低成本的太陽能電池。目前已有產(chǎn)業(yè)化的晶體硅(單晶硅、多晶硅)太陽能電池，部分投產(chǎn)的薄膜電池(非晶/微晶硅硅基薄膜、碲化鎘和銅銦鎵硒)，以及主要處于研究中的染料敏化電池、有機薄膜電池等。

科學家們開始嘗試利用光合作用原理研制電池。比如將植物里的葉綠素提取出來，放到人工制備的膜里，光照時就會產(chǎn)生電。

2004年，有報道指出美國科學家已利用菠菜提取的蛋白質(zhì)造出了葉綠素電池。他們從菠菜中分離出能夠捕捉光的蛋白質(zhì)，并且把它們放入兩層導電材料之間。當有光照射到這個微型裝置的時候，電流就產(chǎn)生了。

但是，這些蛋白質(zhì)分子非常脆弱，當其被從天然環(huán)境中移走之后，常常無法繼續(xù)工作。所以科學家把它們混合在一種叫做縮氨酸表面活性劑的分子中。這些保護分子在這些產(chǎn)生能量的蛋白質(zhì)周圍形成一層保護膜，使其就像仍在植物環(huán)境之中。

蛋白質(zhì)被放置在薄薄的金片上，附上一層導電的金屬，頂層是導電的有機材料。當光照射在其上，蛋白質(zhì)就會釋放電子，傳導到下一層的金屬層形成電流。

美國加州理工學院的劉易斯教授指出，"我們希望設計出與綠葉光合作用盡可能相似的過程。"言下之意，就是要實現(xiàn)收集太陽光的功能，但其結(jié)構(gòu)又要盡量簡化。

2006年澳大利亞悉尼大學的馬克斯·克魯斯雷教授領導的分子電子學科研組提出，模仿植物中的葉綠素創(chuàng)造的合成分子，有可能研制出高效的太陽能電池。葉子利用體內(nèi)排列密集的葉綠素分子將光能轉(zhuǎn)變成電能，然后再將電能轉(zhuǎn)變成化學能。目前，科研組己制造出葉綠素的合成形式，它能將光能轉(zhuǎn)化成電能。

克魯斯雷稱其團隊已經(jīng)擁有了模仿光電設備或太陽能電池的主要成分。他表示，科研組還希望能制造出存儲裝置，用來代替以金屬為基礎的電池。

實際上，真正的葉綠素太陽能電池，因為技術(shù)難度，目前仍處于研究階段，但模仿光合作用原理的電池或說光電轉(zhuǎn)化裝置已經(jīng)制造出來，這就是染料敏化電池。自從1991年瑞士M. Gratzel教授領導的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來，歐、美、日等發(fā)達國家已投入大量資金研發(fā)。

一種新型的葉綠素光電轉(zhuǎn)化裝置利用對光反應中電子傳遞過程的"提取"及應用，從而實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化。該裝置具體的工作原理和理論依據(jù)如下:

光合作用光反應過程中，光可以被光反應中心周圍的天線色素分子吸收，匯集到反應中心，使色素P由基態(tài)提高到激發(fā)態(tài)P*，通常吸收一個光子可以使一個電子的能量提高1V，因此P*是強還原劑，有很強的提供電子的能力。當把電子供給適當?shù)氖荏w后，缺失電子的P*是一個強氧化劑，極易得電子。被激發(fā)的電子沿著類囊體膜中一系列電子傳遞體轉(zhuǎn)移，組成光合鏈(如右圖)，而該裝置正是利用了該過程中電子的轉(zhuǎn)移從而獲得生物電流。

光合鏈中能量變化有兩次起落，涉及兩個光合系統(tǒng)，可分成兩個階段:

第一階段: 光刺激P680或激發(fā)態(tài)P680*僅用幾微微秒的時間P680*的電子傳給脫鎂葉綠素(Phephytin Ph)這是一個Mg被H取代的葉綠素a，反應中心變成正游離基P680+。光合系統(tǒng)ⅡP680+是強氧化劑，通過中間物Z從水中抽出電子，傳給質(zhì)體醌(Plastoquinone, 縮寫QH2)。H2O和質(zhì)醌的標準氧化還原電勢分別為0.82V及0.1V，它們的電勢差為十0.72V。電子之所以能逆流而上，是因為光系統(tǒng)Ⅱ吸光能使680nm光照下電子具有1.82V，足夠克服0.72V的電勢能障礙。Mn將電子從水中抽出，在形成O2的過程中起著關鍵的作用。質(zhì)體醌類似于泛醌，可接受氫成還原型。 電子從脫鎂葉綠素到質(zhì)體醌有兩個中間受體QA和QB,電子先傳遞到QA再到QB再從QB傳遞到質(zhì)體醌。QA和QB是兩種結(jié)合有質(zhì)體醌的蛋白質(zhì)。 QH2提供電子給細胞色素bf。細胞色素bf復合物具有4個亞基;34000細胞色素f，23000細胞色素b563，它具有二個血色素，由分子量為20,000的FeS蛋白和分子量為17,000多肽鏈組成。其作用與生物氧化中的細胞色素b類似，起到質(zhì)子泵的作用。

細胞色素bf催化電子從QH2到質(zhì)藍素(plasto cynin 縮寫為PC)

QH2十2PC(Cu)--→Q十2PC(Cu)十2H，與此同時將質(zhì)子泵入類囊體膜內(nèi)。細胞色素bf中的鐵硫蛋白參加質(zhì)藍素的還原作用，在電子傳遞同時驅(qū)動基質(zhì)中的質(zhì)子泵入膜內(nèi)。質(zhì)藍素是一個分子量為11000的水溶性蛋白質(zhì)，它的氧化還原中心有Cu2+，它與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸、甲硫氨酸和兩個組氨酸殘基螯合，造成二價銅乎面的幾何形狀扭變，使銅易于轉(zhuǎn)變成氧化態(tài)從+1價升至+2價?？傊?，在第一階段中，光合系統(tǒng) Ⅱ從水得到電子產(chǎn)生氧，并通過細胞色素bf產(chǎn)生質(zhì)子梯度和還原質(zhì)藍素。

第二階段:

光合系統(tǒng)I像光合系統(tǒng)II一樣，經(jīng)光誘發(fā)成激發(fā)態(tài)，并使一個電子從P700*射出，激發(fā)態(tài)的反應中心變成P700+。P700+是弱氧化劑，它從還原的質(zhì)藍素捕獲電子變成P700，可再一次激發(fā)出電子。受體A0接受P700*發(fā)出的電子成為A0-，它是十分強的還原劑E=-1.1V。高勢能的電子從A0-轉(zhuǎn)移至A，然后轉(zhuǎn)至鐵硫中心Fe-S，再至鐵氧還蛋白(Ferredoxin，縮寫為Fd)。電子從鐵氧還蛋白通過鐵氧還蛋白-NADP+還原酶(feerrdoxin-NADP+ redutase)傳至NADP+形成NADPH，因為鐵氧還蛋白一NADP+還原酶以FAD為輔基，所以整個光反應是在膜與基質(zhì)的界面上進行，因此將質(zhì)子攝入形成NADPH，使跨類囊膜的質(zhì)子梯度進一步升高。

目前，該種葉綠素光電轉(zhuǎn)化裝置僅處于理論設計階段，且該種裝置的缺陷在于無法準確地控制電子轉(zhuǎn)移的速率以及無法保證葉綠素離開活體后的長久活性，其可靠性需要進一步驗證。