Биологическая фотоэлектрическая энергия
Биологическая фотовольтаика , также называемая биофотоэлектрикой. [ 1 ] или BPV , представляет собой технологию производства энергии, которая использует кислородные фотоавтотрофные организмы или их фракции для сбора световой энергии и производства электроэнергии. [ 2 ] Биологические фотоэлектрические устройства представляют собой тип биологической электрохимической системы или микробного топливного элемента , иногда их также называют фотомикробными топливными элементами или «живыми солнечными элементами». [ 3 ] В биологической фотоэлектрической системе электроны, генерируемые фотолизом воды, передаются на анод . [ 4 ] с относительно высоким потенциалом происходит реакция На катоде , и возникающая в результате разность потенциалов пропускает ток через внешнюю цепь, совершая полезную работу. Есть надежда, что использование живого организма (способного к самосборке и самовосстановлению) в качестве светособирающего материала сделает биологическую фотоэлектрическую батарею экономически эффективной альтернативой синтетическим технологиям преобразования световой энергии, таким как фотоэлектрические батареи на основе кремния. .
Принцип работы
[ редактировать ]
Как и другие топливные элементы , биологические фотоэлектрические системы делятся на анодные и катодные полуэлементы.
кислородный фотосинтетический биологический материал, такой как очищенные фотосистемы или целые клетки водорослей или цианобактерий В анодной полуячейке используется . Эти организмы способны использовать энергию света для окисления воды , а часть электронов, образующихся в результате этой реакции, переносится во внеклеточную среду, где их можно использовать для восстановления анода. В анодную камеру не попадают гетеротрофные организмы – восстановление электродов осуществляется непосредственно фотосинтетическим материалом.
Более высокий электродный потенциал катодной реакции по сравнению с уменьшением анода вызывает ток через внешнюю цепь. На иллюстрации кислород восстанавливается до воды на катоде, хотя можно использовать и другие акцепторы электронов. Если вода регенерируется, возникает замкнутый контур потока электронов (аналогично обычной фотоэлектрической системе), т.е. энергия света является единственным чистым ресурсом, необходимым для производства электроэнергии. Альтернативно, электроны можно использовать на катоде для реакций электросинтеза , в результате которых образуются полезные соединения, например, восстановление протонов до газообразного водорода. [ 5 ]
Отличительные свойства
[ редактировать ]Подобно микробным топливным элементам, биологические фотоэлектрические системы, в которых используются целые организмы, имеют преимущество перед небиологическими топливными элементами и фотоэлектрическими системами, поскольку они способны к самосборке и самовосстановлению (т. е. фотосинтетический организм способен воспроизводить себя). Способность организма накапливать энергию позволяет производить электроэнергию с помощью биологических фотоэлектрических систем в темноте, обходя проблемы спроса и предложения в сети , с которыми иногда сталкиваются традиционные фотоэлектрические системы. [ 6 ] Кроме того, использование фотосинтезирующих организмов, фиксирующих углекислый газ, означает, что «сборка» светособирающего материала в биологической фотоэлектрической системе может иметь отрицательный углеродный след .
По сравнению с микробными топливными элементами, в которых используются гетеротрофные микроорганизмы, биологические фотоэлектрические системы не требуют ввода органических соединений для подачи восстанавливающих эквивалентов в систему . Это повышает эффективность преобразования света в электричество за счет минимизации количества реакций, разделяющих захват световой энергии и восстановление анода. Недостатком использования оксигенного фотосинтетического материала в биоэлектрохимических системах является то, что производство кислорода в анодной камере отрицательно влияет на напряжение ячейки .
Типы биологических фотоэлектрических систем
[ редактировать ]Биологические фотоэлектрические системы определяются типом светособирающего материала, который они используют, и способом переноса электронов от биологического материала к аноду.
Легкие заготовительные материалы
[ редактировать ]Светособирающие материалы, используемые в биологических фотоэлектрических устройствах, можно разделить на категории по их сложности; более сложные материалы обычно менее эффективны, но более надежны.
Изолированные фотосистемы
[ редактировать ]Изолированные фотосистемы обеспечивают наиболее прямую связь между фотолизом воды и анодным восстановлением. Обычно фотосистемы изолированы и адсорбированы на проводящей поверхности. [ 7 ] Растворимый окислительно-восстановительный медиатор (небольшая молекула, способная принимать и отдавать электроны) может потребоваться для улучшения электрической связи между фотосистемой и анодом. [ 8 ] Поскольку другие клеточные компоненты, необходимые для восстановления, отсутствуют, биологические фотоэлектрические системы на основе изолированных фотосистем имеют относительно короткий срок службы (несколько часов) и часто требуют низких температур для повышения стабильности.
Субклеточные фракции
[ редактировать ]Субклеточные фракции фотосинтезирующих организмов, такие как очищенные мембраны тилакоидов , также могут использоваться в биологических фотоэлектрических системах. [ 2 ] Преимущество использования материала, который содержит как фотосистему II, так и фотосистему I, заключается в том, что электроны, извлеченные из воды фотосистемой II, могут быть переданы аноду при более отрицательном окислительно-восстановительном потенциале (с восстановительного конца фотосистемы I). Медиатор окислительно-восстановительного процесса (например, феррицианид ) необходим для переноса электронов между фотосинтетическим компонентом и анодом. [ 9 ]
Целые организмы
[ редактировать ]
Биологические фотоэлектрические системы, в которых используются целые организмы, являются наиболее надежным типом, срок службы которых составляет несколько месяцев. [ 10 ] Изолирующие целых внешние мембраны клеток препятствуют переносу электронов из мест генерации электронов внутри клетки к аноду. [ 4 ] В результате эффективность конверсии будет низкой, если в систему не включены жирорастворимые окислительно-восстановительные медиаторы. [ 11 ] цианобактерии В этих системах обычно используются , поскольку их относительно простое расположение внутриклеточных мембран по сравнению с эукариотическими водорослями облегчает экспорт электронов. Потенциальные катализаторы, такие как платина, можно использовать для увеличения проницаемости клеточной мембраны.
Перенос электрона на анод
[ редактировать ]Восстановление анода фотосинтетическим материалом может быть достигнуто путем прямого переноса электронов или с помощью растворимого окислительно-восстановительного медиатора. Медиаторы окисления-восстановления могут быть жирорастворимыми (например, витамин К2 ), что позволяет им проходить через клеточные мембраны, и могут либо добавляться в систему, либо продуцироваться биологическим материалом.
Собственная активность восстановления электродов
[ редактировать ]Изолированные фотосистемы и субклеточные фотосинтетические фракции могут быть способны напрямую восстанавливать анод, если биологические окислительно-восстановительные компоненты находятся достаточно близко к электроду, чтобы перенос электронов . произошел [ 7 ] В отличие от таких организмов, как бактерии-диссимиляторы, восстанавливающие металлы , водоросли и цианобактерии плохо приспособлены к внеклеточному экспорту электронов — молекулярные механизмы, обеспечивающие прямое восстановление нерастворимого внеклеточного акцептора электронов, окончательно не идентифицированы. Тем не менее, низкая скорость восстановления анода наблюдалась у целых фотосинтезирующих организмов без добавления экзогенных редокс-активных соединений. [ 10 ] [ 12 ] Было высказано предположение, что перенос электронов происходит за счет высвобождения низких концентраций эндогенных соединений-редокс-медиаторов. Улучшение активности экспорта электронов цианобактерий для использования в биологических фотоэлектрических системах является темой текущих исследований. [ 13 ]
Искусственные электронные медиаторы
[ редактировать ]Редокс-медиаторы часто добавляют в экспериментальные системы для улучшения скорости экспорта электронов из биологического материала и/или переноса электронов на анод, особенно когда в качестве светособирающего материала используются целые клетки. Хиноны , феназины и виологены успешно использовались для увеличения выходного тока фотосинтезирующих организмов в биологических фотоэлектрических устройствах. [ 14 ] Добавление искусственных посредников считается неустойчивой практикой в масштабируемых приложениях. [ 15 ] поэтому большинство современных исследований посвящено системам без медиаторов.
Эффективность
[ редактировать ]Эффективность преобразования биологических фотоэлектрических устройств в настоящее время слишком низка для того, чтобы их масштабируемые версии могли достичь четности сети . Подходы генной инженерии используются для увеличения выходного тока фотосинтезирующих организмов для использования в биологических фотоэлектрических системах. [ 13 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чёртнер, Дженни; Лай, Бин; Кремер, Йенс О. (2019). «Биофотовольтаика: производство экологически чистой энергии из солнечного света и воды» . Границы микробиологии . 10 : 866. дои : 10.3389/fmicb.2019.00866 . ISSN 1664-302X . ПМК 6503001 . ПМИД 31114551 .
- ^ Jump up to: а б Бомбелли, Паоло; Брэдли, Роберт В.; Скотт, Аманда М.; Филипс, Александр Дж.; Маккормик, Алистер Дж.; Круз, Соня М.; Андерсон, Александр; Юнус, Кямран; Бендалл, Дерек С.; Кэмерон, Петра Дж.; Дэвис, Джулия М.; Смит, Элисон Г.; Хау, Кристофер Дж.; Фишер, Адриан К. (2011). «Количественный анализ факторов, ограничивающих передачу солнечной энергии Synechocystis sp. PCC 6803 в биологических фотоэлектрических устройствах». Энергетика и экология . 4 (11): 4690–4698. дои : 10.1039/c1ee02531g .
- ^ Розенбаум, Мириам; Шредер, Уве; Шольц, Фриц (5 февраля 2005 г.). «Использование зеленой водоросли Chlamydomonas Reinhardtii для производства микробной электроэнергии: живой солнечный элемент». Прикладная микробиология и биотехнология . 68 (6): 753–756. дои : 10.1007/s00253-005-1915-4 . ПМИД 15696280 . S2CID 687908 .
- ^ Jump up to: а б Брэдли, Роберт В.; Бомбелли, Паоло; Роуден, Стивен Дж.Л.; Хоу, Кристофер Дж. (декабрь 2012 г.). «Биологическая фотоэлектрическая энергия: внутри- и внеклеточный транспорт электронов цианобактериями». Труды Биохимического общества . 40 (6): 1302–1307. дои : 10.1042/BST20120118 . ПМИД 23176472 .
- ^ Маккормик, Алистер Дж.; Бомбелли, Паоло; Ли-Смит, Дэвид Дж.; Брэдли, Роберт В.; Скотт, Аманда М.; Фишер, Адриан К.; Смит, Элисон Г.; Хау, Кристофер Дж. (2013). «Производство водорода посредством оксигенного фотосинтеза с использованием цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803 в системе биофотоэлектролизных ячеек (BPE)» . Энергетика и экология . 6 (9): 2682–2690. дои : 10.1039/c3ee40491a . hdl : 20.500.11820/db281f82-7713-43e9-9d91-4d34b601ee39 .
- ^ «Как потерять полтриллиона евро; европейские поставщики электроэнергии столкнулись с экзистенциальной угрозой» . Экономист . 12 октября 2013 г.
- ^ Jump up to: а б Йехезкели, Омер; Тель-Веред, Ран; Вассерман, Джулиан; Трифонов Александр; Михаэли, Дорит; Нечуштай, Рахиль; Виллнер, Итамар (13 марта 2012 г.). «Фотобиоэлектрохимические клетки на основе интегрированной фотосистемы II» . Природные коммуникации . 3 : 742. Бибкод : 2012NatCo...3..742Y . дои : 10.1038/ncomms1741 . ПМИД 22415833 .
- ^ Като, Масару; Кардона, Танаи; Резерфорд, А. Уильям; Райснер, Эрвин (23 мая 2012 г.). «Фотоэлектрохимическое окисление воды с помощью фотосистемы II, интегрированной в мезопористый электрод из оксида индия и олова». Журнал Американского химического общества . 134 (20): 8332–8335. дои : 10.1021/ja301488d . ПМИД 22548478 .
- ^ Карпентье, Роберт; Лемье, Сильви; Мимо, Мюриэль; Перселл, Марк; Гетце, Д. Кристофер (декабрь 1989 г.). «Фотоэлектрохимическая ячейка с использованием иммобилизованных фотосинтетических мембран». Биоэлектрохимия и биоэнергетика . 22 (3): 391–401. дои : 10.1016/0302-4598(89)87055-2 .
- ^ Jump up to: а б Маккормик, Алистер Дж.; Бомбелли, Паоло; Скотт, Аманда М.; Филипс, Александр Дж.; Смит, Элисон Г.; Фишер, Адриан К.; Хау, Кристофер Дж. (2011). «Фотосинтетические биопленки в чистой культуре используют солнечную энергию в системе биофотоэлектрических ячеек (BPV) без посредников». Энергетика и экология . 4 (11): 4699–5710. дои : 10.1039/c1ee01965a .
- ^ Торимура, Масаки; Мики, Ацуши; Вадано, Акира; Кано, Кенджи; Икеда, Токудзи (январь 2001 г.). «Электрохимическое исследование цианобактерии Synechococcus sp. PCC7942-катализируемого фотовосстановления экзогенных хинонов и фотоэлектрохимического окисления воды». Журнал электроаналитической химии . 496 (1–2): 21–28. дои : 10.1016/S0022-0728(00) 00253-9
- ^ Цзоу, Юнджин; Пишотта, Джон; Биллмайр, Р. Блейк; Баскаков, Илья В. (1 декабря 2009 г.). «Фотосинтетические микробные топливные элементы с положительной световой реакцией» . Биотехнология и биоинженерия . 104 (5): 939–946. дои : 10.1002/бит.22466 . ПМИД 19575441 . S2CID 24290390 .
- ^ Jump up to: а б Брэдли, Роберт В.; Бомбелли, Паоло; Ли-Смит, Дэвид Дж.; Хау, Кристофер Дж. (2013). «Мутанты концевой оксидазы цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803 демонстрируют повышенную электрогенную активность в биологических фотоэлектрических системах» . Физическая химия Химическая физика . 15 (32): 13611–13618. Бибкод : 2013PCCP...1513611B . дои : 10.1039/c3cp52438h . ПМИД 23836107 .
- ^ Отиай, Хидео; Сибата, Хитоши; Сава, Ёсихиро; Шога, Мицуру; Охта, Соичи (август 1983 г.). «Свойства полупроводниковых электродов, покрытых живыми пленками цианобактерий». Прикладная биохимия и биотехнология . 8 (4): 289–303. дои : 10.1007/BF02779496 . S2CID 93836769 .
- ^ Розенбаум, Мириам; Он, Чжэнь; Ангенент, Ларгус Т (июнь 2010 г.). «Энергия света в биоэлектричество: фотосинтетические микробные топливные элементы». Современное мнение в области биотехнологии . 21 (3): 259–264. дои : 10.1016/j.copbio.2010.03.010 . ПМИД 20378333 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видео о биологической фотоэлектрической энергии на YouTube.