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人造光收成方法達到 100% 的能量轉移效率

 在一次仿效可在植物與某些細菌中發現的光合作用系統的嘗試裡,科學家在開發人造光收成系統(light-harvesting system,LHS)上,已向前跨出一步,該系統符合一項關鍵需求︰近乎 100% 的能量轉移效率(energy transfer efficiency)。在一套有用的人造 LHS 的開發上,雖然高能量轉移效率只是元件之一,不過,這項成就能導致乾淨的太陽燃料(solar-fuel)技術,那將日光轉換成化學燃料。

這些研究者,由來自東京都立大學(Tokyo Metropolitan University)的高木慎介(Shinsuke Takagi)以及科學技術振興機構(Japan Science and Technology Agency,JST)的 PRESTO 計畫領導,已將他們邁向人造 LHS 的研究發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 期刊上。

“為了要實驗一套人造光收成系統,近乎 100% 的能量轉移效率是必要的," 高木表示。"因為光收成系統由許多能量轉移步驟組成,如果每一步驟的能量轉移效率為 90%,那麼,總能量轉移效率就會變低。例如,如果這有五個能量轉移步驟,那麼總能量轉移為︰0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.59。那麼,在為人造光收成系統實現高效能日光收集上,一套高效能能量轉移反應扮演著一個重要的角色。"

如同研究者在其研究中的解釋,天然的 LHS(如那些在紫色細菌或植物葉子中的系統)是由分子的規律排列所組成,那有效地收集日光並將激發能( excitation energy)攜往該系統的反應中心。一套人造 LHS(或稱「人造葉子」)試圖藉由利用功能性染料分子(functional dye molecules),辦到相同的事。

建立在先前研究的結果之上,科學家們為此目的,選擇使用二種紫質( porphyrin)染料分子,將其排列在陶磁表面上。這些分子易於在陶磁表面上聚集(aggregate)或分散(segregate),這對於要將這些分子以規律方式,如其天然的相似物那樣排列的科學家來說,構成了挑戰。

“分子以一適當的分子間(intermolecular)距離排列,對於達成近乎 100% 的能量轉移效率而言很重要," 高木表示。"如果分子間距離太近,將會發生其他反應,諸如電子轉移和/或光化學反應。如果分子間距離太遠,激發染料的活性消失,會抑制能量轉移系統。"

為了要達到適當的分子間距離,科學家們開發出一套新穎的製備技術,那能匹配(matching)紫質分子中帶電位置(charged sites)之間的距離,以及陶磁表面上帶負電(陰離子)位置之間的距離。此效應,研究者們稱之為「尺寸匹配法則(Size-Matching Rule)」,協助抑制促成紫質分子易於聚集或分散的主因,並使分子固定在一適當的單一(uniform)分子間距離。如高木的解釋,這種策略顯然不同於其他達成分子圖樣(molecular patterns)的嘗試。

“這種方法學很獨特," 他說。"在一般自我組裝系統的例子中,排列是透過客體–客體交互作用(guest-guest interactions)來體現。在我們的系統中,主體–客體交互作用(host-guest interactions)在實現染料的特殊排列上,扮演著一個關鍵性的角色。因此,藉由改變主體材料,要控制染料在陶磁表面上的分子排列是有可能的。"

如研究者的示範,分子的規律排列導致激發能轉移效率接近 100%。這些結果指出,紫質染料分子與陶瓷主體材料對於人造 LHS 而言,看起來是大有可為的候選者。

“目前,我們的系統只包含二種染料," 高木表示。"下一步,結合數種染料以吸收所有的日光是必要的。我們系統的特徵點之一是,可輕易地同時使用數種染料。因此,我們的系統對一套真正的、能運用所有日光的光收成系統來說,是一個有前途的候選者。我們相信,即使是光化學反應部份,都能被結合到相同的陶瓷表面。如果這套系統被實現了,而且與光化學反應中心結合,那麼這套系統就能被稱為「無機葉子(inorganic leaf)」。"

資料來源:physorg: Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency [September 1, 2011 ]

原刊載於 only-perception

 

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