基本信息
- 项目名称：
- 生物太阳能电池的开发
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 当今世界化石能源日趋枯竭，化石能源带来了严重的污染问题。太阳能的利用可以从根本上解决上述问题。高效太阳能电池的研制是新型能源研究的热点。 目前,商品化的太阳能电池生产成本高，光电转化效率低，限制了太阳能电池的广泛应用。 随着对太阳能制品需求量的增加，生物太阳能电池应运而生。这种基于光合原理的太阳能电池，在理论上有高的光电转化率和很强的可塑性。此外，环保可再生也是此种电池的特点。 生物太阳能电池是一种概念性电池，目前还处于实验室阶段，虽然应用前景广阔，但是尚有诸多关键基础问题需要解决。
- 详细介绍：
- 生物太阳能电池就是将光合膜蛋白PSI固定于电极上，光照PSI驱动电子定向移动形成电势差。 在这个过程中，如何得到高活性的PSI尤为关键。作为电池的光敏剂，它的活性高低直接决定着电池光电转化效率。我们采用了蔗糖密度梯度离心的方法，分离得到了较高活性的PSI，并对PSI进行各种光谱及亚基组成表征。为PSI基生物太阳能电池的开发奠定重要物质基础。 此外，PSI的稳定性也是研究的关键。作为膜蛋白，PSI离开磷脂双分子层后，稳定性降低，如何长时间的维持PSI的高活性，直接决定着电池的使用寿命。我们通过对不同表面活性剂的筛选，得出不同表面活性剂的稳定效果，其中短肽表面活性剂I5K2对PSI有最好的稳定效果。 由于光电测试系统没有到位，没有对电池进行系统的测试。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1. 设计发明目的和基本思路： 针对当今世界化石能源的日趋枯竭及其带来的大量环境污染的问题，由植物光合作用和染料敏化电池得到启发，用光合膜蛋白PSI代替敏化剂模拟自然界的光电转化过程，从而研制出既环保又可再生的生物基染料敏化太阳能电池。 2. 创新点 光合膜蛋白PSI的吸收传递效率达到90%-98%。而光合反应中心能量转化的量子效率几乎能达到100%。将光合膜蛋白与染料敏化电池结合，改变了传统敏化剂的光谱响应范围窄、光电转化效率低和环境污染等缺陷。发现I5K2可以有效提高PSI在溶液中的热稳定性。 3. 技术关键和主要技术指标 制作电池的两项关键技术是如何得到高活性的PSI和如何提高PSI的稳定性。 （1）采用蔗糖密度梯度离心的方法分离PSI 分离出的条带进行77K荧光发射光谱表征。 （2）对PSI的纯度和活性进行了检测 SDS-PAGE电泳图，证明获得了较高纯度的PSI；PSI的耗氧曲线，测得每毫克Chla耗氧量为420μmol/mg•h。 以上数据表明我们分离出了较高纯度和活性的PSI，为PSI的稳定性研究及生物基太阳能电池的开发奠定物质基础。 （3）设计短肽表面活性剂来稳定PSI 经过筛选，发现短肽表面活性剂AC-IIIIIKK-NH2(I5K2)能提高PSI的热稳定性，并对I5K2稳定PSI的动力学过程进行了表征，发现PSI的半衰期显著延长。为我们开发PSI的稳定剂及表面固定提供了可能。
科学性、先进性
- 1. 科学先进性： （1）与一般的染料敏化太阳能电池相比，光合膜蛋白基电池以复杂的光合膜蛋白PSI为光敏剂，来代替传统的金属钌配合物和卟啉类配合物光敏剂。2004年，美国MIT的Shuguang Zh.等已经成功将PSI固定在纳米TiO2制成第一个PSI基电池，2007年日本的Nao Terasaki等开发出第一个PSII基电池。 （2）优化了增溶比，发现当[Triton X-100]:[Chla]（w/w）=22.5:1时能得到最大量的PSI，这将为下一步PSI稳定性研究以及螺旋藻PSI基光能器件的开发奠定了重要的物质基础。 （3）发现了阳离子型短肽表面活性剂I5K2能够提高PSI的热稳定性，为PSI从溶液稳定到固体表面固定吸附的研究奠定了基础。
获奖情况及鉴定结果
- 相关文章《钝顶螺旋藻（spirulina platensis）光系统I的分离表征及稳定性研究》，已被《生物加工过程》杂志录用。 相关文章《Designer self-assembling peptide surfactant enhance thermo-stability of isolated functional photosystem-I》正在撰写。
作品所处阶段
- 实验室研发阶段
技术转让方式
- 同意转让
作品可展示的形式
- 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点和优势 （1）转化效率很高； （2）捕光范围几乎覆盖了整个可见光区（380 nm-750 nm）； （3）环保，可自然降解； （4）制作成本低。 2. 适用范围 （1）电力:大功率发电系统、家庭发电系统等； （2）通讯:无线电力、无线通讯等； （3）消费性电子產品:计算机、手錶、电动玩具、收音机等； （4）交通运输:汽车、船舶、交通号誌、道路照明、灯塔等； 3. 市场分析和经济效益预测 （1）新型PSI基太阳能电池光电转化效率高，应用材料广泛，环保等特点，可以代替昂贵的硅基太阳能电池，甚至可以作为化石能源的辅助能源。 （2）此种电池有广泛的市场潜力，可以为各种便携及固定设备供电。 （3）此种电池成本低，制作简单，可向产业化、规模化发展。
同类课题研究水平概述
- 1.光合膜蛋白基太阳能电池 众所周知，光合作用是地球上最重要的化学反应。光合膜蛋白吸收传递效率达到90%-98%。光合反应中心能量转化的量子效率几乎能达到100%。 如果把PSI与电子供体连接，光照PSI将驱动电子注入到电极，产生电势差，即是PSI基太阳能光伏元件。基于这种想法2004年MIT的张曙光等将菠菜PSI固定于纳米TiO2电极上，制成了第一个PSI基生物光伏元件，2007年日本学者Nao Terasaki等成功的将PSII固定在涂有金纳米颗粒的电极上，研制成了第一个PSII基太阳能电池。目前，中国科学院的植物所、化学所、技术物理所以及国家纳米中心等单位正着手研制新型的生物光伏电池。 2.PSI的分离 第一个具有活性的PSI复合物是由John E. Mullet等采用蔗糖密度梯度离心从豌豆中分离出来的。这种方法后来被视为分离和纯化PSI的经典方法。此外，柱层析的方法也被用于PSI的分离。许多学者采主要用以上两种方法从陆生植物和海洋藻类中成功分离到PSI。目前，国内外新的分离方法还不成熟（如膜分离），需要进一步研究探讨。 3.PSI的稳定性 目前对PSI稳定性的报道较少。在过去的二十多年里，人们设计合成了大量的化学表面活性剂来帮助膜蛋白增溶，其中月桂基二甲基氧化胺、十二烷基-β-D-麦芽糖苷、辛基-β-D-葡萄糖苷等已被成功应用于膜蛋白结构生物学中。 1993年Stroud等首次设计并合成α螺旋的肽表面活性剂（peptitergent），Prive等也设计了一种α螺旋的烷肽表面活性剂，在它的N和C末端分别连上了两个烷基链。张曙光设计一系列新的短肽自组装表面活性剂，由六到八个氨基酸残基组成，它们有较好的稳定膜蛋白的能力。它们的行为类似与酯和其它的表面活性剂。蛋白和短肽的相互作用能够提高蛋白的稳定性，短肽中的短链烷基和蛋白中的疏水面相互作用，展示了类似于常见表面活性剂的性质。A6K成功使菠菜PSI在光电元件固体表面上的活性稳定到三周。A6D能够提高牛视紫红质（Bovine rhodopsin）在溶液中的热稳定性。研究发现，随着A6D浓度的升高，对蛋白的热稳定性能力加强。后来发现A6D和V6K，可以增加磷酸甘油脱氢酶的稳定性（GlpD）。 短肽表面活性剂的应用仍然处于初级阶段。它代表了一种新型的生物工程材料。
