葉綠素電池探索歷程

為了有效地收集太陽(yáng)能，人們嘗試了各種方法，比如開(kāi)發(fā)大面積、高效、低成本的太陽(yáng)能電池。目前已有產(chǎn)業(yè)化的晶體硅(單晶硅、多晶硅)太陽(yáng)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(jī)薄膜電池等。

科學(xué)家們開(kāi)始嘗試?yán)霉夂献饔迷硌兄齐姵?。比如將植物里的葉綠素提取出來(lái)，放到人工制備的膜里，光照時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電。

2004年，有報(bào)道指出美國(guó)科學(xué)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(dǎo)電材料之間。當(dāng)有光照射到這個(gè)微型裝置的時(shí)候，電流就產(chǎn)生了。

但是，這些蛋白質(zhì)分子非常脆弱，當(dāng)其被從天然環(huán)境中移走之后，常常無(wú)法繼續(xù)工作。所以科學(xué)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(hù)分子在這些產(chǎn)生能量的蛋白質(zhì)周?chē)纬梢粚颖Ｗo(hù)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(dǎo)電的金屬，頂層是導(dǎo)電的有機(jī)材料。當(dāng)光照射在其上，蛋白質(zhì)就會(huì)釋放電子，傳導(dǎo)到下一層的金屬層形成電流。

美國(guó)加州理工學(xué)院的劉易斯教授指出，"我們希望設(shè)計(jì)出與綠葉光合作用盡可能相似的過(guò)程。"言下之意，就是要實(shí)現(xiàn)收集太陽(yáng)光的功能，但其結(jié)構(gòu)又要盡量簡(jiǎn)化。

2006年澳大利亞悉尼大學(xué)的馬克斯·克魯斯雷教授領(lǐng)導(dǎo)的分子電子學(xué)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(yáng)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(xué)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(chēng)其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擁有了模仿光電設(shè)備或太陽(yáng)能電池的主要成分。他表示，科研組還希望能制造出存儲(chǔ)裝置，用來(lái)代替以金屬為基礎(chǔ)的電池。

實(shí)際上，真正的葉綠素太陽(yáng)能電池，因?yàn)榧夹g(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(shuō)光電轉(zhuǎn)化裝置已經(jīng)制造出來(lái)，這就是染料敏化電池。自從1991年瑞士M. Gratzel教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在該技術(shù)上取得突破以來(lái)，歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)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(duì)光反應(yīng)中電子傳遞過(guò)程的"提取"及應(yīng)用，從而實(shí)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(yīng)過(guò)程中，光可以被光反應(yīng)中心周?chē)奶炀€色素分子吸收，匯集到反應(yīng)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(gè)光子可以使一個(gè)電子的能量提高1V，因此P*是強(qiáng)還原劑，有很強(qiáng)的提供電子的能力。當(dāng)把電子供給適當(dāng)?shù)氖荏w后，缺失電子的P*是一個(gè)強(qiáng)氧化劑，極易得電子。被激發(fā)的電子沿著類(lèi)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(guò)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(gè)光合系統(tǒng)，可分成兩個(gè)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(shí)間P680*的電子傳給脫鎂葉綠素(Phephytin Ph)這是一個(gè)Mg被H取代的葉綠素a，反應(yīng)中心變成正游離基P680+。光合系統(tǒng)ⅡP680+是強(qiáng)氧化劑，通過(guò)中間物Z從水中抽出電子，傳給質(zhì)體醌(Plastoquinone, 縮寫(xiě)QH2)。H2O和質(zhì)醌的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)分別為0.82V及0.1V，它們的電勢(shì)差為十0.72V。電子之所以能逆流而上，是因?yàn)楣庀到y(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(shì)能障礙。Mn將電子從水中抽出，在形成O2的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用。質(zhì)體醌類(lèi)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(gè)中間受體QA和QB,電子先傳遞到QA再到QB再?gòu)腝B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(xì)胞色素bf。細(xì)胞色素bf復(fù)合物具有4個(gè)亞基;34000細(xì)胞色素f，23000細(xì)胞色素b563，它具有二個(gè)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(xì)胞色素b類(lèi)似，起到質(zhì)子泵的作用。

細(xì)胞色素bf催化電子從QH2到質(zhì)藍(lán)素(plasto cynin 縮寫(xiě)為PC)

QH2十2PC(Cu)--→Q十2PC(Cu)十2H，與此同時(shí)將質(zhì)子泵入類(lèi)囊體膜內(nèi)。細(xì)胞色素bf中的鐵硫蛋白參加質(zhì)藍(lán)素的還原作用，在電子傳遞同時(shí)驅(qū)動(dòng)基質(zhì)中的質(zhì)子泵入膜內(nèi)。質(zhì)藍(lán)素是一個(gè)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(gè)組氨酸殘基螯合，造成二價(jià)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(jià)升至+2價(jià)?？傊诘谝浑A段中，光合系統(tǒng) Ⅱ從水得到電子產(chǎn)生氧，并通過(guò)細(xì)胞色素bf產(chǎn)生質(zhì)子梯度和還原質(zhì)藍(lán)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(gè)電子從P700*射出，激發(fā)態(tài)的反應(yīng)中心變成P700+。P700+是弱氧化劑，它從還原的質(zhì)藍(lán)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(qiáng)的還原劑E=-1.1V。高勢(shì)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(xiě)為Fd)。電子從鐵氧還蛋白通過(guò)鐵氧還蛋白-NADP+還原酶(feerrdoxin-NADP+ redutase)傳至NADP+形成NADPH，因?yàn)殍F氧還蛋白一NADP+還原酶以FAD為輔基，所以整個(gè)光反應(yīng)是在膜與基質(zhì)的界面上進(jìn)行，因此將質(zhì)子攝入形成NADPH，使跨類(lèi)囊膜的質(zhì)子梯度進(jìn)一步升高。

目前，該種葉綠素光電轉(zhuǎn)化裝置僅處于理論設(shè)計(jì)階段，且該種裝置的缺陷在于無(wú)法準(zhǔn)確地控制電子轉(zhuǎn)移的速率以及無(wú)法保證葉綠素離開(kāi)活體后的長(zhǎng)久活性，其可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。