Биологическая фотогальваника - Biological photovoltaics

Биологическая фотогальваника (BPV) - это технология производства энергии, в которой используется кислородный фотоавтотрофный организмы или их фракции для сбора световой энергии и производства электроэнергии.[1] Биологические фотоэлектрические устройства представляют собой тип биологической электрохимической системы или микробный топливный элемент, и иногда их также называют фотомикробными топливными элементами или «живыми солнечными элементами».[2] В биологической фотоэлектрической системе электроны, генерируемые фотолиз воды переданы в анод.[3] Относительно высокий потенциал реакция происходит на катод, 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 технологии на основе кремния. фотогальваника.

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.

Кислородный фотосинтетический биологический материал, например очищенный фотосистемы или целые водоросли или цианобактериальный ячейки, используются в анодном полуячейке. Эти организмы могут использовать световую энергию, чтобы управлять окисление воды, и часть электронов, образующихся в результате этой реакции, переносится во внеклеточную среду, где их можно использовать для уменьшать анод. Нет гетеротрофный организмы попадают в анодную камеру - 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 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 электросинтетический реакции, 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 вырабатывать энергию из биологических фотоэлектрических систем в темноте, минуя сетка Проблемы спроса и предложения, с которыми иногда сталкиваются обычные фотоэлектрические устройства.[5] Кроме того, использование фотосинтезирующих организмов, которые исправить 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 снабжения. уменьшающие эквиваленты 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 сказывается на напряжение ячейки.

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

Светособирающие материалы, используемые в биологических фотоэлектрических устройствах, можно разделить на категории 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 ремонта, 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, например очищенные тилакоидные мембраны, также может использоваться в биологических фотоэлектрических системах.[1] Преимущество использования материала, содержащего оба фотосистема II и фотосистема I состоит 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 ) требуется для переноса электронов между компонентами фотосинтеза и анодом.[8]

Целые организмы

Система BPV, использующая целые цианобактерии
В этой биологической фотоэлектрической системе используются цианобактерии, растущие в суспензии, с оксид индия и олова анод.

Биологические фотоэлектрические системы, в которых задействованы целые организмы, являются наиболее надежными типами, и их срок службы составляет несколько месяцев.[9] В изоляционный внешние мембраны целых клеток препятствует переносу электронов от мест генерации электронов внутри клетки к аноду.[3] В результате эффективность преобразования будет низкой, если в систему не будут включены липидорастворимые окислительно-восстановительные медиаторы.[10] Цианобактерии обычно используются в этих системах из-за относительно простого расположения внутриклеточных мембран по сравнению с эукариотический водоросли облегчают 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, витамин K2 ), позволяя им проходить через клеточные мембраны, и могут быть добавлены в систему или продуцированы 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 для перенос электронов происходить.[6] В отличие от таких организмов, как диссимиляционные металлоредуцирующие бактерии, водоросли и цианобактерии плохо адаптированный для внеклеточного экспорта 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 медиаторы

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 все они были успешно использованы для увеличения выходного тока 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 масштабных версий, чтобы достичь сеточная четность. Подходы генной инженерии используются для увеличения выходного тока фотосинтезирующих организмов для использования в биологических фотоэлектрических системах.[12]

Рекомендации

  1. ^ а б Бомбелли, Паоло; Брэдли, Роберт В .; Скотт, Аманда М .; Philips, 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 трансдукцию солнечной энергии Synechocystis sp. PCC 6803 в биологических фотоэлектрических устройствах». Энергетика и экология. 4 (11): 4690–4698. Дои: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. Дои:10.1007 / s00253-005-1915-4. PMID  15696280. S2CID  687908.
  3. ^ а б Брэдли, Роберт В .; Бомбелли, Паоло; Rowden, Stephen J.L .; Хау, Кристофер Дж. (Декабрь 2012 г.). «Биологическая фотовольтаика: внутри- и внеклеточный перенос электронов цианобактериями». Сделки биохимического общества. 40 (6): 1302–1307. Дои:10.1042 / BST20120118. PMID  23176472.
  4. ^ Маккормик, Алистер Дж .; Бомбелли, Паоло; Ли-Смит, Дэвид Дж .; Брэдли, Роберт В .; Скотт, Аманда М .; Фишер, Адриан Ч .; Smith, Alison G .; 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. Дои:10.1039 / c3ee40491a.
  5. ^ «Как потерять полтриллиона евро; европейские поставщики электроэнергии столкнулись с серьезной угрозой». Экономист. 12 октября 2013 г.
  6. ^ а б Ехезкели, 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:2012НатКо ... 3..742л. Дои:10.1038 / ncomms1741. PMID  22415833.
  7. ^ Като, Масару; Кардона, Танай; Резерфорд, А. Уильям; Рейснер, Эрвин (23 мая 2012 г.). «Фотоэлектрохимическое окисление воды с использованием фотосистемы II, встроенной в мезопористый электрод из оксида индия и олова». Журнал Американского химического общества. 134 (20): 8332–8335. Дои: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. Дои:10.1016/0302-4598(89)87055-2.
  9. ^ а б Маккормик, Алистер Дж .; Бомбелли, Паоло; Скотт, Аманда М .; Philips, 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. Дои: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. Дои: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». Биотехнологии и биоинженерия. 104 (5): 939–946. Дои:10.1002 / бит. 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. Дои:10.1039 / c3cp52438h. PMID  23836107.
  13. ^ Очиай, Хидео; Шибата, Хитоши; Сава, Ёсихиро; Шога, Мицуру; Охта, Суйчи (август 1983 г.). «Свойства полупроводниковых электродов, покрытых живыми пленками цианобактерий». Прикладная биохимия и биотехнология. 8 (4): 289–303. Дои:10.1007 / BF02779496. S2CID  93836769.
  14. ^ Розенбаум, Мириам; Он, Чжэнь; Ангенент, Ларгус Т (июнь 2010 г.). «Световая энергия для биоэлектричества: фотосинтетические микробные топливные элементы». Текущее мнение в области биотехнологии. 21 (3): 259–264. Дои:10.1016 / j.copbio.2010.03.010. PMID  20378333.

внешняя ссылка