生物启发的太阳能采集材料稳定化取得突破性进展

2021年06月20日 20:17 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

受大自然的启发,纽约城市学院(CCNY)的研究人员展示了一种稳定生物启发的太阳能采集材料的合成策略。他们的研究结果发表在《自然-化学》杂志上,可能是未来太阳能转换技术中分子组合功能化的一个重大突破。

尽管有极端炎热或寒冷的温度条件,但几乎在世界的每一个角落,我们会发现光合作用的生物体在努力捕捉太阳能。揭开自然界如何高效而有力地采集光线的秘密,可以改变可持续太阳能技术的面貌,尤其是在全球气温上升之后。

在光合作用中,第一步(即光收集)涉及到光和光收集部位之间的相互作用,后者由被称为超分子组件的脆弱材料组成。从绿叶植物到微小的细菌,大自然设计了一个双组分系统:超分子组件被嵌入蛋白质或脂质支架内。目前还不清楚这种支架起什么作用,但最近的研究表明,大自然可能已经进化出这些复杂的蛋白质环境,以稳定其脆弱的超分子装配。

"尽管我们无法复制光合生物体中发现的蛋白质支架的复杂性,但我们能够调整保护性支架的基本概念,以稳定我们的人工光收集装置,"Kara Ng博士说。她的合著者包括CCNY的教授Dorthe M. Eisele和Ilona Kretzschmar,以及皇后学院的教授Seogjoo Jang。到目前为止,将大自然的设计原则转化为大规模的光伏应用还没有成功。失败的原因可能在于当前太阳能电池架构的设计范式。 然而,她和她的研究团队并不是要改进已经存在的太阳能电池设计,但想从大自然的杰作中学习,以激发全新的太阳能采集架构。

在大自然的启发下,研究人员展示了小型交联分子如何克服超分子组合体功能化的障碍。他们发现硅烷分子可以自我组装,在人工超分子光收集装置周围形成一个互锁的、稳定的支架。

这些本质上不稳定的材料,现在可以在设备中存活,甚至通过多次加热和冷却循环,最新的研究提供了概念证明,类似笼子的支架设计可以稳定超分子组件,以应对环境压力,如极端的温度波动,而不破坏其有利的光收集特性。

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