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親眼所見！將光轉化為氫燃料的催化劑結構

文章來源：新能源網更新時間：2024-12-16 16:21:36

　　阿貢國家實驗室和耶魯大學的研究人員首次揭示了一種光合混合物質的結構，使清潔能源生產取得了進展。

　　光合作用是將太陽光能轉化為地球上生命所必需的化學能的最有效的自然過程之一。被稱為光系統（photosystems）的蛋白質對這一過程至關重要，負責將光能轉化為化學能。

　　將其中一種稱為光系統I（PSI）的蛋白質與鉑納米粒子結合起來，創造出一種生物混合催化劑。鉑納米粒子是一種可以進行化學反應產生氫（一種寶貴的清潔能源）的微觀粒子。也就是說，PSI吸收的光驅動鉑納米粒子產生氫氣。

　　“現在直接看到了我們已經研究了13年的系統真的很令人興奮。”——Lisa Utschig，阿貢國家實驗室化學家。

　　在最近的一項突破中，美國能源部阿貢國家實驗室和耶魯大學的研究人員已經確定了PSI生物混合太陽能燃料催化劑的結構。在阿貢超過13年的開創性研究的基礎上，該團隊報告了生物混合結構的第一個高分辨率視圖，使用一種稱為冷凍電鏡（cryo-EM）的電子顯微鏡技術。隨著結構信息的掌握，這一進步為研究人員開發具有更高性能的生物混合太陽能燃料系統打開了大門，這將提供傳統能源的可持續替代品。

　　PSI是一種大型蛋白質復合物，存在于植物、藻類和光合細菌中。這種蛋白質在捕獲陽光并將其轉化為能量方面起著至關重要的作用。比較獨特的是，PSI能夠非常有效地將陽光轉化為能量——蛋白質每吸收一個光子，幾乎總能產生一個電子。然后，這些電子可以轉移到生物雜化物的結合鉑納米粒子上，從而促進氫氣的產生。

　　在早期的工作中，阿貢國家實驗室的化學家麗莎·烏茨希格（Lisa Utschig）能夠利用PSI操縱光合作用并生產氫燃料。現在，她和她的團隊已經能夠詳細地看到PSI生物雜交體的結構。?

　　Utschig說，“能夠直接看到我們已經研究了13年的系統真的很令人興奮，盡管一些研究已經探索了PSI生物雜化催化劑的特性，但研究人員還不知道鉑納米顆粒附著在蛋白質上的位置。利用高分辨率低溫電鏡，研究人員能夠更徹底地研究生物雜化物的結構，并準確地找到納米顆粒與PSI結合的位置。”

　　她說，“我們假設納米粒子在PSI的電子轉移伙伴連接的地方結合，但結構顯示實際上有兩個點位。這是非常令人驚訝的。”

　　有了這些結構信息，研究人員現在可以開始優化納米顆粒如何附著和相互作用，以進一步提高催化效率。他們可以通過改變蛋白質特性和調整納米顆粒來設計這種生物雜交體。

　　Utschig說：“在分子水平上看到生物能源，看到人造粒子和天然蛋白質如何結合在一起產生能量，真是太神奇了！”

　　這項工作的其他貢獻者包括Christopher J. Gisriel， Tirupathi Malavath, tiananyin Qiu, Jan Paul Menzel, Victor S. Batista和Gary W. Brudvig。

　　研究的結果發表在《自然通訊》上。在本研究中，生物混合系統的合成、設計和冷凍電鏡（cryo-EM）由美國能源部基礎能源科學辦公室資助，冷凍電鏡由美國國立衛生研究院普通醫學科學研究所額外資助。

　?。ㄋ夭膩碜裕篈rgonne National Laboratory 全球氫能網、新能源網綜合）

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