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覆盖在池塘和海洋表面的各种不起眼的藻类可能是提高人工光合作用效率的关键，使科学家能够在这个过程中产生更多的能量和更少的废物。

新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)的科学家们进行的一项研究表明，将藻类蛋白质包裹在液滴中如何能够将藻类的捕光和能量转换特性大幅提高三倍。这种能量是藻类进行光合作用时产生的，光合作用是植物、藻类和某些细菌利用阳光中的能量并将其转化为化学能的过程。

通过模仿植物如何将阳光转化为能量，人工光合作用可能是一种不依赖不可再生的化石燃料或天然气的可持续发电方式。由于从阳光到电能的自然能量转换率很低，提高总发电量可以使人工光合作用在商业上可行。

这项研究由电子电气工程学院的助理教授陈玉成领导，研究了在红藻中发现的一种特殊类型的蛋白质。这些蛋白质被称为藻胆蛋白，负责吸收藻类细胞内的光，以启动光合作用。
 
藻胆蛋白从整个光谱范围的光波长中获取光能，包括那些叶绿素吸收不良的光能，并将其转化为电能。

陈助理教授说:“由于其独特的发光和光合特性，藻胆蛋白在生物技术和固态设备中具有潜在的应用前景。提高集光设备的能量一直是利用光作为能源的有机设备开发工作的核心。”

该团队的研究可能会导致一种新的，可持续的太阳能发电方式，不依赖于不可再生的化石燃料或天然气。基于藻胆蛋白的新生物技术可用于制造更高效的太阳能电池，并为人工光合作用的更高效率铺平道路。

使用藻类作为生物能源是可持续发展和可再生能源领域的热门话题，因为藻类的使用可能会减少太阳能电池板制造过程中产生的有毒副产品的数量。

该研究支持NTU将可持续发展作为其2025年战略计划的一部分，该计划旨在了解、阐明和解决人类对环境的影响。

这些发现被发表并被选为科学杂志的封面——ACS应用材料.

三倍人工光合作用效率
微藻吸收阳光并将其转化为能量。为了放大藻类可以产生的能量，研究小组开发了一种方法，将红藻包裹在尺寸为20至40微米的小液晶微滴中，并将其暴露在光线下。

当光线照射到液滴上时，会出现一种被称为“回音廊模式”的效果，光波在液滴的弯曲边缘周围传播。光被有效地捕获在液滴中更长的时间，为光合作用提供更多的机会，从而产生更多的能量。

光合作用期间以自由电子形式产生的能量可以通过电极以电流的形式被捕获。

“水滴的行为就像一个谐振器，限制了大量的光，”助理教授陈说。“这给了藻类更多的光照，增加了光合作用的速率。用藻类蛋白质覆盖液滴的外部也可以获得类似的结果。”
 
“通过利用微液滴作为集光生物材料的载体，液滴内部的强局部电场增强和光子限制导致了显著更高的发电量。”他说。

这种液滴可以很容易地以低成本批量生产，使得研究小组的方法可以广泛应用。 陈助理教授说，大多数基于藻类的太阳能电池每平方厘米能产生20-30微瓦的电能2).与单独的藻类蛋白质的能量产生速率相比，NTU藻类-液滴组合将这种能量产生水平提高了至少两到三倍。

将“生物垃圾”转化为生物能源
人工光合作用旨在复制植物将阳光转化为化学能的自然生物过程。目标是建立一种方法，使能源可再生、可靠和可储存，而不会对环境产生负面影响。

人工光合作用的挑战之一是像太阳能电池板等其他太阳能能源一样高效地产生能量。平均而言，太阳能电池板的效率为15%至20%，而人工光合作用的效率目前估计为4.5%。

陈助理教授说:“人工光合作用的发电效率不如太阳能电池。然而，它更具可再生性和可持续性。由于对环保和可再生技术的兴趣越来越大，从藻类的捕光蛋白中提取能量已经引起了生物能源领域的极大兴趣。”

陈助理教授设想了“藻类农场”的一个潜在应用案例，即水体中密集生长的藻类最终可以与更大的液晶液滴结合，制造出漂浮的发电机。

“我们实验中使用的微液滴有可能扩大到更大的液滴，然后可以在实验室环境之外应用于藻类来产生能量。虽然有些人可能会认为藻类生长难看，但它们在环境中起着非常重要的作用。我们的发现表明，有一种方法可以将一些人眼中的‘生物垃圾’转化为生物能源，”助理教授陈说。