生物光伏,生物光电,或BPV,是一种可再生能源技术,利用含氧光自养生物(或部分)从太阳能发电。
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生物光伏系统通过水的光解产生电子,然后将电子转移到阳极上。高电位反应发生在阴极,阳极和阴极之间的电位差通过外部电路产生电流。
这些系统背后的技术仍处于初级阶段,还没有广泛的商业应用。然而,人们希望利用生物来收集光将产生比合成替代品更便宜和更容易维护的光伏设备,例如构成大多数商业和家庭太阳能电池板安装基础的硅基光伏。这是因为生物已经进化到能够通过有机过程非常有效地自我组装和自我修复。
生物光伏的类型
生物光伏系统根据其光收集材料和生物材料与阳极之间的电子转移方式进行分类。
简单和复杂的材料都在考虑之中。简单材料的优点是它们往往比复杂材料效率更高,但其代价是它们的健壮性通常较差。
孤立的光系统是最简单的,提供了阳极还原和水光解之间的直接联系。这些系统通常被隔离并吸收到导电表面。然而,这些材料的使用寿命往往很短(只有几个小时),并且需要低温来提高稳定性。
亚细胞组分稍微复杂一些。这些装置使用光合作用生物的部分,如纯化的类囊体膜。
一些生物光伏系统,如蓝藻,已经开发出利用整个生物有机体的优势。该系统用铟锡氧化物制成的阳极悬浮液培养蓝藻。
这些是最健壮的生物光伏系统类型,迄今为止在文献中观察到的寿命长达数月。整个电池的绝缘外层膜减少了电子转移,导致器件的能量转换效率较低。
发展生物光伏系统
生物光伏背后的工作原理直到最近才在研究环境中被介绍。利用天然光合作用直接生产能源的想法,直到最近几十年才被认真提出。虽然这项技术有很大的前景,但在它实现(或被发现不可行)之前,在知识方面仍有一些空白。
具体来说,光到电的转换效率对于器件来说仍然非常有限。最近,科学家们讨论了通过基因工程改造蓝藻来提高光电流产生的可能性(理论上)。
与任何新兴技术一样,标准化仍然是前进中的一个挑战。因此,目前很难比较不同研究的结果。生物质发电、所采用的生长方法和平台架构在不同的生物光伏应用中差异很大。
到目前为止,没有观察到的电流接近传统的微生物燃料电池,更不用说合成光伏了。这些系统的未来应用必须明显更加强大,才能使进一步的开发变得可行。
提出的系统还依赖于人工光源和持续照明。到目前为止,还没有提出一个系统可以合理地在自然环境中利用太阳光的能量转移。具体来说,自然光的异质性(从夜晚到白天,在阴影中,以及整个季节的变化)是当前生物光伏系统的一个限制因素。
然而,确保系统能输出足够的电流是可行的,这是开发系统在多变的自然光条件下反应良好的先决条件。
然而,该领域的研究为更多的生物光伏研究奠定了基础,这令人鼓舞。
对生物光伏系统中涉及的微生物进行基本了解,并指导有针对性的优化,可以在未来的设备中带来更高的功率输出。
迄今为止提出的解决方案包括合成生物学方法,如引入替代电子转移路线。
有针对性的优化也依赖于标准化。为了让科学家有效地开发和测试新系统,必须在整个领域采用一系列标准,以衡量新系统和拟议系统。
最后,需要对涉及生物光合作用的基本原理有更深入的了解。例如,电子从光系统到电极的转移目前还没有很好地理解。
未来我们会看到生物光伏吗?
生物光伏系统的理论优势——高效的自我组装和自我修复——继续激励着研发工作。理论上,这些生物体也可以通过生物过程储存能量,这可能使未来的生物光伏系统能够在黑暗中发电。
利用光合作用生物组装生物光伏也可能指向另一个关键优势:碳负能量。从理论上讲,有可能创造出可再生能源发电系统,从而减少大气中的二氧化碳含量。
生物光伏是一种新兴的、非常有趣的解决人类紧迫的能源和碳排放问题的可能方案。虽然不可行,但未来几年的研究和开发可能会产生有希望的结果。
参考资料及进一步阅读
布拉德利,R.W。,等(2012)生物光伏:蓝藻细胞内和细胞外电子传输。生化学会汇刊.doi.org/10.1042/BST20120118.
Tschörtner, J., B. Lai, J.O. Krömer(2019)生物光伏:利用阳光和水的绿色发电。微生物学前沿.doi.org/10.3389%2Ffmicb.2019.00866.
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