Учёные создали солнечную батарею из хлорофилла бактерии
Развитие этого опыта, согласно точки зрения его авторов, приведёт к тому, что через пара лет обитатели отдалённых сёл смогут электрифицировать собственные дома при помощи последовательности покупных стога и реактивов свежескошенной травы.
Андреас Мершин (Andreas Mershin) и его коллеги из Массачусетского технологического университета (MIT) выстроили умелые батареи на базе светособирающего комплекса биологических молекул — фотосистемы I (PS-I). Она была забрана у цианобактерии Thermosynechococcus elongates.
Под простым солнечным светом ячейки продемонстрировали напряжение холостого хода в 0,5 вольта, удельную мощность 81 микроватт на плотность фототока и квадратный сантиметр в 362 мкА/см2. А это, по уверению изобретателей, в 10 тысяч раз выше, чем у любой продемонстрированной ранее биофотовольтаики, основанной на натуральных фотосистемах.
(О итогах опыта экспериментаторы отчитались в Scientific Reports.)
Фотосистемы являются ответственными компонентами комплексов, несущих ответственность за фотосинтез в растениях и светло синий-зелёных водорослях. Они складываются из нескольких сопутствующих молекул и вариаций хлорофилла — протеинов, липидов и коэнзимов.
Неспециализированное число молекул в таком комплекте – до двух с лишним сотен (иллюстрация wikipedia.org).
КПД взятых батарей составил всего-то около 0,1%. Однако создатели диковинки вычисляют её серьёзным шагом на пути массового внедрения солнечной энергетики в быт.
Так как возможно такие устройства смогут производиться с низкими затратами.
В совершенстве биологические батареи имели возможность бы делать сами потребители в своей квартире, пользуясь недорогими химреактивами, реализовываемыми в пакетике как комплект «сделай сам», и мусором с участка либо фермы. «Вы сможете применять в качестве сырья всё зелёное, кроме того скошенную траву», — прогнозирует Мершин.
Авторы нового преобразователя уверены в том, что опыт с его построением возможно повторён кроме того в колледже либо школе с более-менее развитой химической лабораторией. А в будущем инструкцию по сборке «фотогальванической ячейки из травы» возможно будет поместить на одной страничке, причём отразить фактически без слов, одними картинами.
Упрощение всех этапов создания таковой батареи – главная заслуга изобретателей из MIT. Ранее для концентрации молекул PS-I использовались центрифуги, но команда Андреаса внесла предложение альтернативу — недорогие мембраны.
Никаких особых лабораторных условий для их применения не требуется. «Состав возможно весьма нечистый, и он всё ещё будет трудиться, так его спроектировала природа, – говорит исследователь. — Природа трудится в нечистой среде, это итог миллиардов опытов в течении миллиардов лет».
По окончании последовательности усовершенствований КПД «травяных батарей» возможно поднять до 1-2%, и это будет уже коммерчески жизнеспособный уровень, передаёт Gizmag.
Умелые фотоэлектрические ячейки являются сэндвичем из пары слоёв стекла, узких проводящих покрытий (оксид олова, легированный фтором либо индием, FTO/ITO), строительных лесов из диоксида титана либо смеси и оксида цинка бактериального фотоулавливающего комплекса PS-I (продемонстрирован в центре) со стабилизирующим его пептидным комплектом A6K. Причём пространство между страницами ещё и заполнено электролитом, содержащим ионы кобальта (иллюстрация Andreas Mershin et al.).
Чтобы добиться выдающихся параметров прибора, учёным было нужно решить последовательность неприятностей, появившихся далеко не день назад. Поясним, этот опыт явился развитием работы, начатой в MIT ещё восемь лет назад молекулярным биологом Шугуаном Чжаном (Shuguang Zhang) и рядом его соратников.
Чжан, кстати, есть одним из нового эксперимента и основных авторов.
Прошлые ячейки, заимствовавшие фотосистемы у растений или бактерий, имели возможность нормально трудиться лишь под концентрированным светом лазера, другими словами в узком диапазоне длин волн.
Второй недочёт прошлых вариантов «живой батареи» — для её изготовления были нужны дорогие современное оборудование и химические вещества лаборатории.
Третий принципиальный момент – надёжная и долгосрочная стабилизация извлечённых из растений молекулярных комплексов. Вне клетки PS-I существует недолго.
Но команда MIT создала комплект поверхностно активных пептидов, талантливых обволакивать совокупность PS-I, сохраняя её надолго.
Нанолес из оксида цинка, в этом случае выросший в высоту на 3 мкм (фото Andreas Mershin et al.).
И, наконец, было ещё одно давешнее препятствие. Всё та же фотосистема повреждалась от ультрафиолета.
Его удалось преодолеть на протяжении ответа второй задачи – увеличения эффективности сбора света.
Комплексы PS-I Мершин со товарищи высеивали не на ровной подложке, как это было в прошлых похожих опытах, а на поверхности с огромной действенной площадью.
В роли таковой базы выступили губка из диоксида титана (толщиной 3,8 микрометра и с размером пор в 60 нанометров) и плотный «лес» стержней из оксида цинка (с высотой «деревьев» в пара микрометров и диаметром в доли микрометра).
Оба варианта фотоанода продемонстрировали сходные результаты. Причём они не только разрешили заметно повысить колличество молекул хлорофилла, выставленных под свет, но и частично защитили комплексы PS-I от ультрафиолетовых лучей.
Так как оба материала являются хорошими их поглотителями.
А ещё титановая наногубка и цинковый нанолес сыграли роль каркаса и выполнили функцию переносчика электронов. Ну а на PS-I возлагалась задача сбора света, его разделения и усвоения зарядов, подобно тому, как это происходит в клетках.
Идеализированная схема батареи (иллюстрация Andreas Mershin et al.).
Напоследок скажем, что ранее учёные много времени инвестировали в развитие ещё одного своеобразного направления в солнечной энергетике. Это элементы на сенсибилизированных красителях.
Последние не применяют биологические фотосистемы практически, но пробуют их копировать.
До тех пор пока рано сказать, какой вариант солнечных батарей окажется более оправданным. Но вот интересный момент: в этом проекте учавствовал Михаэль Гретцель (Michael Gratzel) из лаборатории фотоники и интерфейсов швейцарского политехнического университета, узнаваемый отечественным читателям именно по созданию рекордной батареи на красителях.
Быть может, что вместо копирования природных улавливающих свет комплексов удачнее окажется концентрат нужных молекул из листьев, бактерий либо водорослей. Но, имеется ещё более броская мысль на отдалённую возможность — подключать подобные живые генераторы практически напрямую в сеть.
