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基本信息

項(xiàng)目名稱：
生物太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
當(dāng)今世界化石能源日趨枯竭，化石能源帶來(lái)了嚴(yán)重的污染問(wèn)題。太陽(yáng)能的利用可以從根本上解決上述問(wèn)題。高效太陽(yáng)能電池的研制是新型能源研究的熱點(diǎn)。 目前,商品化的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本高，光電轉(zhuǎn)化效率低，限制了太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用。 隨著對(duì)太陽(yáng)能制品需求量的增加，生物太陽(yáng)能電池應(yīng)運(yùn)而生。這種基于光合原理的太陽(yáng)能電池，在理論上有高的光電轉(zhuǎn)化率和很強(qiáng)的可塑性。此外，環(huán)?？稍偕彩谴朔N電池的特點(diǎn)。 生物太陽(yáng)能電池是一種概念性電池，目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，雖然應(yīng)用前景廣闊，但是尚有諸多關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題需要解決。
詳細(xì)介紹：
生物太陽(yáng)能電池就是將光合膜蛋白PSI固定于電極上，光照PSI驅(qū)動(dòng)電子定向移動(dòng)形成電勢(shì)差。 在這個(gè)過(guò)程中，如何得到高活性的PSI尤為關(guān)鍵。作為電池的光敏劑，它的活性高低直接決定著電池光電轉(zhuǎn)化效率。我們采用了蔗糖密度梯度離心的方法，分離得到了較高活性的PSI，并對(duì)PSI進(jìn)行各種光譜及亞基組成表征。為PSI基生物太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)奠定重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 此外，PSI的穩(wěn)定性也是研究的關(guān)鍵。作為膜蛋白，PSI離開(kāi)磷脂雙分子層后，穩(wěn)定性降低，如何長(zhǎng)時(shí)間的維持PSI的高活性，直接決定著電池的使用壽命。我們通過(guò)對(duì)不同表面活性劑的篩選，得出不同表面活性劑的穩(wěn)定效果，其中短肽表面活性劑I5K2對(duì)PSI有最好的穩(wěn)定效果。 由于光電測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有到位，沒(méi)有對(duì)電池進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。

作品圖片

  • 生物太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1. 設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路： 針對(duì)當(dāng)今世界化石能源的日趨枯竭及其帶來(lái)的大量環(huán)境污染的問(wèn)題，由植物光合作用和染料敏化電池得到啟發(fā)，用光合膜蛋白PSI代替敏化劑模擬自然界的光電轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而研制出既環(huán)保又可再生的生物基染料敏化太陽(yáng)能電池。 2. 創(chuàng)新點(diǎn) 光合膜蛋白PSI的吸收傳遞效率達(dá)到90%-98%。而光合反應(yīng)中心能量轉(zhuǎn)化的量子效率幾乎能達(dá)到100%。將光合膜蛋白與染料敏化電池結(jié)合，改變了傳統(tǒng)敏化劑的光譜響應(yīng)范圍窄、光電轉(zhuǎn)化效率低和環(huán)境污染等缺陷。發(fā)現(xiàn)I5K2可以有效提高PSI在溶液中的熱穩(wěn)定性。 3. 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) 制作電池的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是如何得到高活性的PSI和如何提高PSI的穩(wěn)定性。 （1）采用蔗糖密度梯度離心的方法分離PSI 分離出的條帶進(jìn)行77K熒光發(fā)射光譜表征。 （2）對(duì)PSI的純度和活性進(jìn)行了檢測(cè) SDS-PAGE電泳圖，證明獲得了較高純度的PSI；PSI的耗氧曲線，測(cè)得每毫克Chla耗氧量為420μmol/mg?h。 以上數(shù)據(jù)表明我們分離出了較高純度和活性的PSI，為PSI的穩(wěn)定性研究及生物基太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。 （3）設(shè)計(jì)短肽表面活性劑來(lái)穩(wěn)定PSI 經(jīng)過(guò)篩選，發(fā)現(xiàn)短肽表面活性劑AC-IIIIIKK-NH2(I5K2)能提高PSI的熱穩(wěn)定性，并對(duì)I5K2穩(wěn)定PSI的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)PSI的半衰期顯著延長(zhǎng)。為我們開(kāi)發(fā)PSI的穩(wěn)定劑及表面固定提供了可能。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1. 科學(xué)先進(jìn)性： （1）與一般的染料敏化太陽(yáng)能電池相比，光合膜蛋白基電池以復(fù)雜的光合膜蛋白PSI為光敏劑，來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬釕配合物和卟啉類配合物光敏劑。2004年，美國(guó)MIT的Shuguang Zh.等已經(jīng)成功將PSI固定在納米TiO2制成第一個(gè)PSI基電池，2007年日本的Nao Terasaki等開(kāi)發(fā)出第一個(gè)PSII基電池。 （2）優(yōu)化了增溶比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)[Triton X-100]:[Chla]（w/w）=22.5:1時(shí)能得到最大量的PSI，這將為下一步PSI穩(wěn)定性研究以及螺旋藻PSI基光能器件的開(kāi)發(fā)奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 （3）發(fā)現(xiàn)了陽(yáng)離子型短肽表面活性劑I5K2能夠提高PSI的熱穩(wěn)定性，為PSI從溶液穩(wěn)定到固體表面固定吸附的研究奠定了基礎(chǔ)。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

相關(guān)文章《鈍頂螺旋藻（spirulina platensis）光系統(tǒng)I的分離表征及穩(wěn)定性研究》，已被《生物加工過(guò)程》雜志錄用。 相關(guān)文章《Designer self-assembling peptide surfactant enhance thermo-stability of isolated functional photosystem-I》正在撰寫(xiě)。

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

同意轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

圖片

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1. 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) （1）轉(zhuǎn)化效率很高； （2）捕光范圍幾乎覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)（380 nm-750 nm）； （3）環(huán)保，可自然降解； （4）制作成本低。 2. 適用范圍 （1）電力:大功率發(fā)電系統(tǒng)、家庭發(fā)電系統(tǒng)等； （2）通訊:無(wú)線電力、無(wú)線通訊等； （3）消費(fèi)性電子產(chǎn)品:計(jì)算機(jī)、手錶、電動(dòng)玩具、收音機(jī)等； （4）交通運(yùn)輸:汽車、船舶、交通號(hào)誌、道路照明、燈塔等； 3. 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) （1）新型PSI基太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率高，應(yīng)用材料廣泛，環(huán)保等特點(diǎn)，可以代替昂貴的硅基太陽(yáng)能電池，甚至可以作為化石能源的輔助能源。 （2）此種電池有廣泛的市場(chǎng)潛力，可以為各種便攜及固定設(shè)備供電。 （3）此種電池成本低，制作簡(jiǎn)單，可向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。

同類課題研究水平概述

1.光合膜蛋白基太陽(yáng)能電池 眾所周知，光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。光合膜蛋白吸收傳遞效率達(dá)到90%-98%。光合反應(yīng)中心能量轉(zhuǎn)化的量子效率幾乎能達(dá)到100%。 如果把PSI與電子供體連接，光照PSI將驅(qū)動(dòng)電子注入到電極，產(chǎn)生電勢(shì)差，即是PSI基太陽(yáng)能光伏元件?；谶@種想法2004年MIT的張曙光等將菠菜PSI固定于納米TiO2電極上，制成了第一個(gè)PSI基生物光伏元件，2007年日本學(xué)者Nao Terasaki等成功的將PSII固定在涂有金納米顆粒的電極上，研制成了第一個(gè)PSII基太陽(yáng)能電池。目前，中國(guó)科學(xué)院的植物所、化學(xué)所、技術(shù)物理所以及國(guó)家納米中心等單位正著手研制新型的生物光伏電池。 2.PSI的分離 第一個(gè)具有活性的PSI復(fù)合物是由John E. Mullet等采用蔗糖密度梯度離心從豌豆中分離出來(lái)的。這種方法后來(lái)被視為分離和純化PSI的經(jīng)典方法。此外，柱層析的方法也被用于PSI的分離。許多學(xué)者采主要用以上兩種方法從陸生植物和海洋藻類中成功分離到PSI。目前，國(guó)內(nèi)外新的分離方法還不成熟（如膜分離），需要進(jìn)一步研究探討。 3.PSI的穩(wěn)定性 目前對(duì)PSI穩(wěn)定性的報(bào)道較少。在過(guò)去的二十多年里，人們?cè)O(shè)計(jì)合成了大量的化學(xué)表面活性劑來(lái)幫助膜蛋白增溶，其中月桂基二甲基氧化胺、十二烷基-β-D-麥芽糖苷、辛基-β-D-葡萄糖苷等已被成功應(yīng)用于膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)中。 1993年Stroud等首次設(shè)計(jì)并合成α螺旋的肽表面活性劑（peptitergent），Prive等也設(shè)計(jì)了一種α螺旋的烷肽表面活性劑，在它的N和C末端分別連上了兩個(gè)烷基鏈。張曙光設(shè)計(jì)一系列新的短肽自組裝表面活性劑，由六到八個(gè)氨基酸殘基組成，它們有較好的穩(wěn)定膜蛋白的能力。它們的行為類似與酯和其它的表面活性劑。蛋白和短肽的相互作用能夠提高蛋白的穩(wěn)定性，短肽中的短鏈烷基和蛋白中的疏水面相互作用，展示了類似于常見(jiàn)表面活性劑的性質(zhì)。A6K成功使菠菜PSI在光電元件固體表面上的活性穩(wěn)定到三周。A6D能夠提高牛視紫紅質(zhì)（Bovine rhodopsin）在溶液中的熱穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著A6D濃度的升高，對(duì)蛋白的熱穩(wěn)定性能力加強(qiáng)。后來(lái)發(fā)現(xiàn)A6D和V6K，可以增加磷酸甘油脫氫酶的穩(wěn)定性（GlpD）。 短肽表面活性劑的應(yīng)用仍然處于初級(jí)階段。它代表了一種新型的生物工程材料。
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