虽然植物可以作为人类所需的氧气、食物的主要途径，但是它们一般不被认为是良好的电力来源。但是科研人员发现可以通过收集植物细胞内自然传输的电子从而产生电流，作为“绿色”生物太阳能电池的一部分。近日，以色列理工学院 (Technion) 的研究团队首次成功利用多肉植物制成了一个依靠光合作用运行的活“生物太阳能电池”。该研究表明了在活体植物中如何依靠自然过程产生绿色能源，以“Self-Enclosed Bio-Photoelectrochemical Cell in Succulent Plants”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上(www.doi.org/10.1021/acsami.2c15123) 。

 

       在所有活细胞中，不管是细菌还是各种动植物，电子在其周围来回快速穿梭，这是自然生化过程的一部分。而且电池产生可供外部使用的电能的前提是存在电极。在这之前，就有研究人员已经使用这种方法用细菌制造了燃料电池，但是要想使电池持续供电，必须要不断地给其喂食。

 

       研究人员称，他们将目光转向光合作用，在该过程中，光通过驱动植物中所含水分的电子流，最终产生氧气和糖分。这意味着光合细胞可以通过光合作用在植物体内不断产生电子流，然后作为“光电流”被抽走，用于外部电路供电，就像太阳能电池一样。

 

       某些植物有厚厚的角质层来保持叶子中的水分和营养，比如在干旱环境中生存的多肉植物。研究团队利用多肉植物小珠藻（Corpuscularia lehmannii）（也称为冰植物）研发了一种基于生物的光电化学电池。他们通过多肉植物储存的内部水和营养物质作为电化学电池的电解质溶液。然后测试了植物的光合作用过程是否可以用来产生能量并将植物转化为活的太阳能电池。

 

图 生物太阳能电池

 

       研究人员将铁和铂分别作为阳极和阴极插入多肉植物的一片叶子中，发现其电压为 0.28 V。当连接到电路中时，它在暴露于光照下可产生高达 20 µA/cm² 的无偏置光电流密度，并且持续产生电流的时间可超过一天。当向铁阳极增加 0.5 V 偏压时，电流密度增加了约 10 倍。虽然照目前的性能来看，相比传统的碱性电池处于劣势，但这只是一片叶子所产生的效果。据研究人员称，之前对类似有机设备的研究表明，通过串联多片叶子可以增加电压。

 

       此外，光系统 II 抑制剂的添加阻碍了光电流，这表明水氧化是光电子的主要来源。二维荧光测量表明，辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 + 氢 (NADH) 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADPH) 作为主要的介导电子转移分子，在功能上将光合作用过程连接到金属电极。

 

       该团队所设计的太阳能电池的另一个特别之处在于，内部叶片溶液中的质子可以在阴极结合形成氢气，这些氢气可以被收集并用于其他应用。他们相信，该研究有望促进未来可持续的、多功能绿色能源技术的发展。

 

原文链接