研究：将藻类蛋白质包裹在液滴中可使人工光合作用的效率提高三倍

据外媒New Atlas报道，“重现”光合作用的过程，即植物自然地将阳光、水和二氧化碳转化为化学能，为其生存提供动力，是可再生能源研究的一个关键目标，而新加坡南洋理工大学的一项新研究可以帮助这些努力。该校的科学家已经证明了将藻类蛋白质包裹在小水滴中可以将其自然能量采集能力提高三倍，标志着该技术向商业可行性又迈进了一步。

从事人工光合作用的科学家所面临的挑战之一是迄今为止所开发的解决方案的效率相对较低。据新加坡南洋理工大学的团队说，太阳能电池板通常以20%左右的效率将太阳光转化为能量，而目前的人工光合作用技术的效率大约为4%或5%。

这项研究的负责人陈宇成副教授说：“人工光合作用的效率不如太阳能电池。然而，它是更可再生和可持续的。由于人们对环境友好和可再生技术的兴趣越来越大，从海藻中的光收集蛋白中提取能量已经引起了生物能源领域的极大兴趣。”

陈宇成在研究中所使用的蛋白质被称为藻胆蛋白，它们负责吸收藻类细胞内的光，并在整个光谱范围内进行吸收。科学家们着手提高其将捕获的光转化为能量的能力，他们的突破性方法涉及将红藻封装在仅20至40微米大小的微小液晶液滴中。

当光线照射到液滴上时，其弯曲的边缘会诱发研究人员所谓的“回音壁模式”，在这种模式下，光线会绕过周边，并有效地在液滴内滞留更长时间。更多的光被困在里面的时间意味着有更多的机会发生光合作用。然后，产生的电子可以在电极的帮助下被捕获。

陈宇成说：“液滴的行为就像一个共振器，限制了大量的光。这给了藻类更多的光照，增加了光合作用的速度。通过在液滴外部涂抹藻类蛋白也可以获得类似的结果。通过利用微液滴作为光收集生物材料的载体，强大的局部电场增强和液滴内的光子封闭导致发电量大大增加。”

据陈宇成说，与未经处理的藻类蛋白相比，该团队的液滴处理使发电量增加了两到三倍。在该团队寻求扩大技术规模的过程中，对他们有利的是，液滴可以大量生产，而且成本低。这些液滴甚至可以以更大的形式生产，以包裹生长在水体中的藻类，而这些藻类又可以作为漂浮的发电装置。

陈宇成说：“我们实验中使用的微型液滴有可能扩大到更大的液滴，然后可以在实验室环境之外应用于水藻以创造能源。虽然有些人可能认为藻类的生长是不受欢迎的，但它们在环境中发挥着非常重要的作用。我们的发现表明，有一种方法可以将一些可能被视为‘生物垃圾’的东西转化为生物能源。”

另一种可能性在于利用这种技术来提高有机太阳能电池的性能。早在2017年，科学家们就曾展示了纳入一种叫做硅藻的藻类如何提高太阳能电池的效率，通过捕获和散射光线来更有效地收集。

通过这种方式，这项新研究不仅发现了一种可以改善人工光合作用的新机制，而且进一步增加了对生物材料如何与光互动的理解，以及如何利用这种知识来追求清洁能源。

该研究发表在《ACS应用材料与界面》杂志上。