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有读书笔记Photoelectrochemical complexes for solar energy conversion that chemically and autonomously regenerate

热1 alfredo 添加于 2010-11-6 07:17 | 3131 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Ham M-H, Choi JH, Boghossian AA, Jeng ES, Graff RA, Heller DA, Chang AC, Mattis A, Bayburt TH, Grinkova YV, Zeiger AS, Van Vliet KJ, Hobbie EK, Sligar SG, Wraight CA, Strano MS

  •  摘 要

    Naturally occurring photosynthetic systems use elaborate pathways of self-repair to limit the impact of photo-damage. Here, we demonstrate a complex consisting of two recombinant proteins, phospholipids and a carbon nanotube that mimics this process. The components self-assemble into a configuration in which an array of lipid bilayers aggregate on the surface of the carbon nanotube, creating a platform for the attachment of light-converting proteins. The system can disassemble upon the addition of a surfactant and reassemble upon its removal over an indefinite number of cycles. The assembly is thermodynamically metastable and can only transition reversibly if the rate of surfactant removal exceeds a threshold value. Only in the assembled state do the complexes exhibit photoelectrochemical activity. We demonstrate a regeneration cycle that uses surfactant to switch between assembled and disassembled states, resulting in an increased photoconversion efficiency of more than 300% over 168 hours and an indefinite extension of the system lifetime.

  •  详细资料

    • 文献种类: Journal Article
    • 期刊名称: Nature Chemistry
    • 期刊缩写: Nature Chem
    • 期卷页: 2010年  第2卷 第11期 929-936页
    • ISBN: 1755-4330

  • 学科领域 自然科学 » 化学

  •  所属群组

    纳米材料化学  

  • 相关链接 DOI URL 

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    新太阳能电池可自我组装与修复
    美国研究人员使用从植物中提取出的蛋白质以及磷酸酯、碳纳米管等化合物，研发出了能够模拟植物光合作用机制进行自我组装的太阳能电池，新电池还具有良好的自我修复能力，有望大幅延长太阳能电池的使用寿命。此项研究成果发表在9月5日出版的《自然—化学》杂志上。
     
    无数科学家试图完善太阳能电池的设计，改善太阳能电池的性能，他们为制造出光电转换效率最高的电池而前赴后继，然而，鲜有人关心太阳能电池的使用寿命。
     
    美国麻省理工学院的化学工程师迈克尔·斯特拉诺解释道，阳光和氧气混合在一起会产生一定的破坏，比如，人体接触太多阳光容易衰老等，这也意味着，在实验室中表现很好的太阳能电池，离开实验室走上“工作岗位”后可能会“罢工”。
     
    另外，现在一些新式的非硅基太阳能电池虽然成本低、转化效率高、性能优异，但是，却经不起时间的考验，超过60个小时后，其转化效率仅为最初的10%。
     
    有鉴于此，斯特拉诺教授和同事研制出了这款大小仅为几纳米、能够自我组装和自我修复的“迷你”型太阳能电池。
     
    在制备这种新式太阳能电池时，研究人员使用了从植物中提取出来的、可进行光合作用的蛋白质、具有黏附性的磷酸脂和具有良好电学性能的碳纳米管以及表面活性剂。表面活性剂会打散某些分子，并且让它们保持隔离状态。
     
    令该研究团队惊奇的是，当他们将表面活性剂从混合物中抽出时，这个由不同物质调和成的“鸡尾酒”混合物会自我组装成一个大小仅为几纳米、能够正常工作的太阳能电池。
     
    磷酸脂组合在一起形成圆盘，两边分别黏附着碳纳米管和植物蛋白质反应中心。蛋白质光合作用中心收集太阳光线，释放出电子，电子通过磷酸脂，然后进入碳纳米管中。在碳纳米管内，电子聚合在一起形成电流。
     
    研究人员强调，这种自我组装而成的电池天生就具有自我修复能力。如果太阳光破坏了某些蛋白质，可向其中添加表面活性剂和蛋白质，替代那些被破坏了的蛋白质；当把表面活性剂提取出来后，该太阳能电池又能重新自我组装成一套新的太阳能电池。
     

    斯特拉诺表示，通过这种方式制得的太阳能电池，个别的光电转换效率达到了40%，这是目 前转化效率最高的商业化太阳能电池的两倍。从理论上来说，这种太阳能电池的转换效率可以接近100%，但是，由于目前该研究还处于“摇篮”中，溶液中形成 的太阳能电池的浓度很低，其转化效率也很低。随着实验的进一步完善，转换效率将会不断提高。

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