Биологическая фотогальваника
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биологическая фотоэлектрическая энергия ( BPV ) - это технология производства энергии, в которой используются кислородные фотоавтотрофные организмы или их фракции для сбора световой энергии и производства электроэнергии. [1] Биологические фотоэлектрические устройства представляют собой тип биологической электрохимической системы или микробного топливного элемента , который иногда также называют фото-микробными топливными элементами или «живыми солнечными элементами». [2] В биологической фотоэлектрической системе электроны, генерируемые фотолизом воды , переносятся на анод . [3] На катоде происходит реакция с относительно высоким потенциалом., и результирующая разность потенциалов управляет током через внешнюю цепь для выполнения полезной работы. Есть надежда, что использование живого организма (способного к самосборке и самовосстановлению) в качестве светособирающего материала сделает биологическую фотогальванику экономически эффективной альтернативой синтетическим технологиям преобразования световой энергии, таким как фотогальваника на основе кремния. .

Принцип действия

Эксплуатация системы BPV
Иллюстрация того, как работает биологическая фотоэлектрическая система.

Как и другие топливные элементы , биологические фотоэлектрические системы делятся на анодные и катодные полуэлементы.

В анодной полуячейке используется кислородный фотосинтетический биологический материал, такой как очищенные фотосистемы или целые клетки водорослей или цианобактерий . Эти организмы могут использовать световую энергию для окисления воды, и часть электронов, образующихся в результате этой реакции, переносится во внеклеточную среду, где их можно использовать для восстановления анода. В анодную камеру не входят гетеротрофные организмы - восстановление электрода осуществляется непосредственно фотосинтетическим материалом.

Более высокий электродный потенциал катодной реакции по сравнению с уменьшением анодного провоцирует ток через внешнюю цепь. На рисунке кислород восстанавливается до воды на катоде, хотя можно использовать и другие акцепторы электронов. Если вода регенерируется, возникает замкнутый контур с точки зрения потока электронов (аналогичный традиционной фотоэлектрической системе), то есть световая энергия является единственным чистым входом, необходимым для производства электроэнергии. В качестве альтернативы электроны можно использовать на катоде для реакций электросинтеза, которые производят полезные соединения, такие как восстановление протонов до газообразного водорода. [4]

Отличительные свойства

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. фотосинтезирующий организм способен воспроизводить себя). Способность организма накапливать энергию позволяет для выработки электроэнергии из биологических фотоэлектрических систем в темноте, обходя сетки поставок и проблем , с которыми сталкиваются спросом иногда с помощью обычных фотоэлементов. [5] Кроме того, использование фотосинтезирующих организмов, которые фиксируют 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 нуждаются в вводе органических соединений для обеспечения восстанавливающих эквивалентов в систему. Это повышает эффективность преобразования света в электричество за счет минимизации количества реакций, разделяющих захват световой энергии и уменьшение анода. Недостатком использования кислородного фотосинтетического материала в биоэлектрохимических системах является то, что производство кислорода в анодной камере отрицательно влияет на напряжение на ячейке .

Типы биологических фотоэлектрических систем

Биологические фотоэлектрические системы определяются типом светособирающего материала, который они используют, и режимом передачи электронов от биологического материала к аноду.

Легкие уборочные материалы

В светособирающих материалы , используемые в биологических фотогальванических устройств могут быть классифицированы по их сложности; более сложные материалы обычно менее эффективны, но более прочные.

Изолированные фотосистемы

Изолированные фотосистемы предлагают наиболее прямую связь между фотолизом воды и анодным восстановлением. Обычно фотосистемы изолированы и адсорбируются на проводящей поверхности. [6] Растворимый окислительно-восстановительный медиатор (небольшая молекула, способная принимать и отдавать электроны) может потребоваться для улучшения электрической связи между фотосистемой и анодом. [7] Поскольку другие клеточные компоненты, необходимые для восстановления, отсутствуют, биологические фотоэлектрические системы, основанные на изолированных фотосистемах, имеют относительно короткий срок службы (несколько часов) и часто требуют низких температур для повышения стабильности.

Субклеточные фракции

Субклеточные фракции фотосинтезирующих организмов, такие как очищенные тилакоидные мембраны , также могут быть использованы в биологических фотоэлектрических системах. [1] 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 с более отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом (от восстановительного конца фотосистемы I). Редокс-медиатор (например, феррицианид ) необходим для переноса электронов между фотосинтетическими компонентами и анодом. [8]

Целые организмы

Эта биологическая фотоэлектрическая система использует цианобактерии, растущие в суспензии, с анодом из оксида индия и олова .

Биологические фотоэлектрические системы, в которых задействованы целые организмы, являются наиболее надежным типом, и их срок службы составляет несколько месяцев. [9] В изолирующих внешних мембранах целых клеток препятствуют переносу электрона из участков генерации электронов внутри клетки до анода. [3] В результате эффективность преобразования низка, если в систему не включены липидорастворимые окислительно-восстановительные медиаторы. [10] В этих системах обычно используются цианобактерии , поскольку их относительно простое расположение внутриклеточных мембран по сравнению с эукариотическими водорослями облегчает экспорт электронов. Возможные катализаторы, такие как платина, могут быть использованы для увеличения проницаемости клеточной мембраны.

Перенос электрона на анод

Восстановление анода фотосинтетическим материалом может быть достигнуто прямым переносом электронов или с помощью растворимого окислительно-восстановительного медиатора. Медиаторы окислительно-восстановительного потенциала могут быть жирорастворимыми (например, витамином K2 ), что позволяет им проходить через клеточные мембраны, и могут либо добавляться в систему, либо продуцироваться биологическим материалом.

Собственная восстановительная активность электрода

Изолированные фотосистемы и субклеточные фотосинтетические фракции могут напрямую восстанавливать анод, если биологические окислительно-восстановительные компоненты находятся достаточно близко к электроду, чтобы произошел перенос электронов . [6] В отличие от организмов, таких как диссимиляционные металлоредуцирующие бактерии , водоросли и цианобактерии плохо приспособлены к внеклеточному экспорту электронов - никаких молекулярных механизмов, обеспечивающих прямое восстановление нерастворимого внеклеточного акцептора электронов, не было окончательно идентифицировано. Тем не менее, низкая скорость восстановления анода наблюдалась у целых фотосинтезирующих организмов без добавления экзогенных окислительно-восстановительных соединений. [9] [11]Было высказано предположение, что перенос электронов происходит за счет высвобождения низких концентраций эндогенных окислительно-восстановительных медиаторных соединений. Повышение активности цианобактерий по экспорту электронов для использования в биологических фотоэлектрических системах является темой текущих исследований. [12]

Искусственные электронные посредники

Медиаторы окислительно-восстановительного потенциала 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 применялись для увеличения выхода тока от фотосинтезирующих организмов в биологических фотоэлектрических устройствах. [13] Добавление искусственных посредников считается неустойчивой практикой в ​​масштабируемых приложениях, [14] поэтому большинство современных исследований посвящено системам без посредников.

Эффективность

Эффективность преобразования биологических фотоэлектрических устройств в настоящее время слишком низка для увеличенных версий, позволяющих достичь паритета сетки . Подходы генной инженерии используются для увеличения выходного тока фотосинтезирующих организмов для использования в биологических фотоэлектрических системах. [12]

использованная литература

  1. ^ a b Бомбелли, Паоло; Брэдли, Роберт В .; Скотт, Аманда М .; Филипс, Александр Дж .; Маккормик, Алистер Дж .; Cruz, Sonia M .; Андерсон, Александр; Юнус, Камран; Бендалл, Дерек С .; Cameron, Petra J .; Дэвис, Джулия М .; Смит, Элисон Дж .; Хоу, 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. DOI : 10.1039 / c1ee02531g .
  2. ^ Розенбаум, Мириам; Шредер, Уве; Шольц, Фриц (5 февраля 2005 г.). «Использование зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii для производства электроэнергии микробами: живой солнечный элемент». Прикладная микробиология и биотехнология . 68 (6): 753–756. DOI : 10.1007 / s00253-005-1915-4 . PMID 15696280 . S2CID 687908 .  
  3. ^ а б Брэдли, Роберт В .; Бомбелли, Паоло; Роуден, Стивен JL; Хау, Кристофер Дж. (Декабрь 2012 г.). «Биологическая фотовольтаика: внутри- и внеклеточный перенос электронов цианобактериями». Труды биохимического общества . 40 (6): 1302–1307. DOI : 10.1042 / BST20120118 . PMID 23176472 . 
  4. ^ Маккормик, Алистер Дж .; Бомбелли, Паоло; Ли-Смит, Дэвид Дж .; Брэдли, Роберт В .; Скотт, Аманда М .; Фишер, Адриан Ч .; Смит, Элисон Дж .; Хау, Кристофер Дж. (2013). «Производство водорода посредством кислородного фотосинтеза с использованием цианобактерий Synechocystis sp. PCC 6803 в системе биофотоэлектролизных ячеек (BPE)» . Энергетика и экология . 6 (9): 2682–2690. DOI : 10.1039 / c3ee40491a .
  5. ^ «Как потерять полтриллиона евро; европейские поставщики электроэнергии сталкиваются с реальной угрозой» . Экономист . 12 октября 2013 г.
  6. ^ а б Иехезкели, Омер; Тел-Веред, Ран; Вассерман, Джулиан; Трифонов, Александр; Михаэли, Дорит; Нечуштай, Рахиль; Виллнер, Итамар (13 марта 2012 г.). «Интегрированная фотосистема II на основе фото-биоэлектрохимических ячеек» . Nature Communications . 3 : 742. Bibcode : 2012NatCo ... 3..742Y . DOI : 10.1038 / ncomms1741 . PMID 22415833 . 
  7. ↑ Като, Масару; Кардона, Танай; Резерфорд, А. Уильям; Рейснер, 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. DOI : 10.1021 / ja301488d . PMID 22548478 . 
  8. ^ 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. DOI : 10.1016 / 0302-4598 (89) 87055-2 .
  9. ^ a b Маккормик, Алистер Дж .; Бомбелли, Паоло; Скотт, Аманда М .; Филипс, Александр Дж .; Смит, Элисон Дж .; Фишер, Адриан Ч .; Хау, Кристофер Дж. (2011). «Фотосинтетические биопленки в чистой культуре используют солнечную энергию в системе биофотоэлектрических элементов (BPV) без посредников». Энергетика и экология . 4 (11): 4699–5710. DOI : 10.1039 / c1ee01965a .
  10. ^ Торимура, Масаки; Мики, Ацуши; Вадано, Акира; Кано, Кенджи; Икеда, Токудзи (январь 2001 г.). «Электрохимическое исследование цианобактерий Synechococcus sp. PCC7942-катализируемое фотовосстановление экзогенных хинонов и фотоэлектрохимическое окисление воды». Журнал электроаналитической химии . 496 (1-2): 21-28. DOI : 10.1016 / S0022-0728 (00) 00253-9 .
  11. ^ Цзоу, Ёнджин; 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. DOI : 10.1002 / bit.22466 . PMID 19575441 . S2CID 24290390 .  
  12. ^ а б Брэдли, Роберт В .; Бомбелли, Паоло; Ли-Смит, Дэвид Дж .; Хау, Кристофер Дж. (2013). «Терминальные мутанты оксидазы цианобактерии Synechocystis sp. PCC 6803 проявляют повышенную электрогенную активность в биологических фотогальванических системах» . Физическая химия Химическая физика . 15 (32): 13611–13618. Bibcode : 2013PCCP ... 1513611B . DOI : 10.1039 / c3cp52438h . PMID 23836107 . 
  13. ^ Очиаи, Hideo; Шибата, Хитоши; Сава, Ёсихиро; Шога, Мицуру; Охта, Суичи (август 1983 г.). «Свойства полупроводниковых электродов, покрытых живыми пленками цианобактерий». Прикладная биохимия и биотехнология . 8 (4): 289–303. DOI : 10.1007 / BF02779496 . S2CID 93836769 . 
  14. ^ Розенбаум, Мириам; Он, Чжэнь; Angenent, Largus T (июнь 2010 г.). «Световая энергия для биоэлектричества: фотосинтетические микробные топливные элементы». Текущее мнение в области биотехнологии . 21 (3): 259–264. DOI : 10.1016 / j.copbio.2010.03.010 . PMID 20378333 . 

внешние ссылки

  • Видео о биологической фотогальванике на YouTube
Источник « https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biological_photovoltaics&oldid=1010226949 »
Contribute a better translation