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麻省理工學院發明可以模擬光反應的半導體電池

光合作用(photosynthesis)是自然界最奇妙的反應之一,包含了光反應(light reaction)與卡爾文循環(Calvin cycle)。其中光反應負責把光能轉換為化學能,而卡爾文循環則將光反應所產生的化學能再次轉換為有機分子,醣類(carbohydrate)。

從醣類,以及卡爾文循環的反應的中間產物,植物可以再合成脂肪、蛋白質、核酸,而在整個地球的食物鏈裡,植物位於食物鏈的底層。因此,我們可以說光合作用是地球上最重要的反應,它餵養了地球上所有的人。

OEC(oxygen evolving complex)位於植物的葉綠體中,它是光反應的成員之一,與photosystem II直接連結;它的功能是儲存植物的光能,再把這個光能用來分解水,產生氫離子(H+)、電子(e-)、以及氧氣(O2)。

水是非常安定的化合物,在常溫下要分解它並不容易;但是,植物卻演化出了OEC,不但可以在常溫下分解水,只要有陽光,在低溫下也照樣可以分解水。

OEC所產生的氫離子,接著會被植物拿去供作光反應中合成推動卡爾文循環(Calvin cycle)的能量(ATP);而電子則提供給位於photosystem II反應中心的葉綠素a(chlorophyll a),使它能在下一輪的光反應裡面繼續提供電子。

前天(2011/9/29)的「科學」雜誌上,麻省理工學院(MIT)教授Daniel Nocera發表了一篇文章,內容就是他們發明了一個以矽(Si)為原料的半導體電池,它可以在接受光能後,將水分解為氫氣(H2)與氧氣(O2)(2);接著只要把氫氣收集起來,就可以做為燃料了。

Artificial Leaf at MIT

這樣的發明,其實在研究植物的人看來,當然是非常了不起的發明;不過如果要說就這樣能趕上植物的光合作用,還是有點過度解釋(3),畢竟植物的光合作用,可以把光能轉換為化學能(ATP),接著再用化學能去合成醣類。文中提到Nocera教授的光電池轉化光能的效率比植物高,筆者不知道他的比較基準在哪裡,但是植物只吸收特定波長的陽光,然後再把這部分的光能轉化為化學能,就目前所知,抓不到的光能不算,抓到的光能在photosystem中的能量損失其實很低,不知「時代」雜誌中提到的數字(低於2.5%)是如何計算的?

參考文獻:
1. Taiz and Zeiger. Plant Physiology 4th ed.
2. Steven Y. Reece, Jonathan A. Hamel , Kimberly Sung, Thomas D. Jarvi, Arthur J. Esswein, Joep J. H. Pijpers, Daniel G. Nocera. 2011. Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-BasedSemiconductors and Earth-Abundant Catalysts.Science DOI: 10.1126/science.1209816
3. Bryan Walsh. 2011/9/29. How an artificial leaf could boost solar power. Time.

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