覆蓋池塘和海洋表面的各種不起眼的藻類，很可能就是提高人工光合作用效率的關鍵，使科學家能夠在此過程中產生更多的能量，並減少浪費。
新加坡南洋理工大學科學家的一項研究顯示，將藻類蛋白質包裹在液滴中，可以顯著增強藻類的光捕獲和能量轉換特性，最多可達三倍。這種能量是在藻類進行光合作用時所產生的，這是植物、藻類、和某些細菌利用陽光的能量，並將其轉化為化學能的過程。
透過模仿植物如何將陽光轉化為能量，人工光合作用很可能是一種全新的永續發電方式，而無須再依賴不可再生的石化燃料或天然氣。由於從陽光到電能的自然能量轉換率很低，因此需要提高總發電量，才可以使人工光合作用在商業上使用。
該研究由電氣與電子工程學院的助理教授陳玉成帶領，研究了在紅藻中所發現的一種特殊類型的蛋白質。這些稱為藻膽蛋白的蛋白質，負責吸收藻類細胞內的光以啟動光合作用。藻膽蛋白從光波長的光譜範圍內收集光能，包括葉綠素吸收不良的光能，並將其轉化為電能。
陳助教說，“由於藻膽蛋白具有獨特的發光和光合作用特性，在生物技術和固態設備中具有廣闊的應用前景。提高光收集裝置的能量，一直是使用以光作為電源的有機設備的開發工作核心。”
基於藻膽蛋白的新型仿生技術可用於製造更高效的太陽能電池，並為提高人工光合作用的效率鋪平道路。使用藻類作為生物能源是永續性和再生能源領域的熱門話題，因為使用藻類可能可以減少太陽能電池板製造過程中，所產生的有毒副產品的數量。
該研究也支持了南大對永續發展的承諾，作為其2025年戰略計劃的一部分，該計劃目的在於了解、明白、和解決人類對環境的影響。這項研究結果的發表也被選為了科學期刊，ACS Applied Materials Interfaces的封面。
將人工光合作用效率提高三倍
微藻吸收陽光並將其轉化為能量，為了放大藻類可以產生的能量，研究小組開發了一種方法，將紅藻包裹在大小為20至40微米的小型液晶微滴中，並將它們暴露在光線下。當光擊中液滴時，會發生一種稱為“耳語畫廊模式”的效應，使光波圍繞液滴的彎曲邊緣傳播。這使光有效地停留在液滴內更長的時間，為光合作用提供更多機會，從而產生更多能量。
在光合作用過程中，以自由電子形式產生的能量，可以透過電極作為電流被捕獲。“液滴就像一個諧振器，可以限制大量光線，”陳助教說。“這使藻類更多地暴露在光線下，提高了光合作用的速率。透過用藻類蛋白質塗覆液滴的外部，也可以獲得類似的結果。”
他還說，“透過利用微滴作為捕光生物材料的載體，微滴內部的強局部電場增強和光子限制，顯著提高了發電量。”
液滴可以以低成本輕鬆批量生產，使研究團隊的方法具有廣泛的適用性。根據陳助教的說法，大多數藻類的太陽能電池所產生的電能為每平方厘米20-30微瓦 (µW/cm2)。與單獨藻類蛋白質的能量產生率相比，NTU的藻類液滴組合將這種能量產生量提高了至少兩到三倍。
將“生物垃圾”轉化為生物能源
人工光合作用的目的，在於復制植物將陽光轉化為化學能的自然生物過程。目標是建立一種使能源可再生、可靠、和可儲存的方法，且又不會對環境產生負面影響。
人工光合作用的挑戰之一，是像太陽能板等其他太陽能能源，一樣高效地產生能量。平均而言，太陽能板的效率等級為15%至20%，而目前估計人工光合作用的效率為4.5%。
陳助教說，“人工光合作用在發電方面不如太陽能電池有效，但是，它更具再生性和永續性。由於人們對環保和再生技術的興趣日益濃厚，從藻類中的捕光蛋白中提取能量，已經引起了人們對生物能源領域的極大興趣。”
陳助教設想了一個“藻類農場”的潛在用例，在這種情況下，水體中密集生長的藻類，最終可以與更大的液晶液滴結合，形成漂浮的發電機。
“我們實驗中所使用的微液滴，有可能放大成更大的液滴，然後就可以將其應用於實驗室環境之外的藻類，以產生能量。雖然有些人可能認為藻類生長不雅觀，但它們卻在環境中有著非常重要的作用。我們的研究結果顯示，這種方法可以將一些人所認為的‘生物垃圾’轉化為生物能源。
原著: Nanyang Technological University; October 18, 2021
