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光合作用是綠色植物利用太陽(yáng)的光能，把二氧化碳和水制造合成為有機(jī)物質(zhì)并釋放氧氣的過(guò)程，其產(chǎn)生的有機(jī)物主要是碳水化合物。植物的光合作用，在制造無(wú)機(jī)碳化物的同時(shí)，也把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，儲(chǔ)存在所形成的有機(jī)化合物中。有機(jī)物中所存儲(chǔ)的化學(xué)能，除了供植物本身和全部異養(yǎng)生物之用外，更重要的是可供人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)和活動(dòng)的能量來(lái)源?？梢哉f(shuō)，綠色植物是一個(gè)巨型的能量轉(zhuǎn)換站，光合作用提供了我們主要能源，沒(méi)有光合作用就沒(méi)有人類(lèi)的生存和發(fā)展。

人造樹(shù)葉設(shè)計(jì)、反應(yīng)體系構(gòu)建及能源轉(zhuǎn)化機(jī)制。（課題組供圖）

在長(zhǎng)期研究植物光合作用的基礎(chǔ)上，浙江農(nóng)林大學(xué)化材學(xué)院生物質(zhì)能源材料研究團(tuán)隊(duì)的李華豐、教授白麗群和河南大學(xué)教授馬鵬濤，設(shè)計(jì)了一種雙功能人造樹(shù)葉并構(gòu)建了光轉(zhuǎn)化全反應(yīng)體系。該新型人造樹(shù)葉，可以通過(guò)充分發(fā)揮纖維素定向電子傳遞作用與多金屬氧酸鹽電子儲(chǔ)存的功能，在光照的條件下，可以實(shí)現(xiàn)了電荷快速分離、電荷儲(chǔ)存與生物質(zhì)能源高效轉(zhuǎn)化。

日前，李華豐及團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果“雙功能多酸基人造樹(shù)葉通過(guò)定向電子傳遞促進(jìn)光合作用全反應(yīng)”刊發(fā)在學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)工程期刊》上。

據(jù)介紹，人造樹(shù)葉能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是近年來(lái)一種新型的能源生產(chǎn)儲(chǔ)存技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于更好地利用清潔可再生的太陽(yáng)能，助推綠色能源發(fā)展具有重要意義，可有效賦能“既要綠水青山，也要金山銀山”的發(fā)展戰(zhàn)略方向。此前，各國(guó)研發(fā)的各種人造樹(shù)葉，僅能在光敏劑和犧牲劑共同參與下發(fā)生氧化或還原半反應(yīng)，反應(yīng)速率緩慢且反應(yīng)體系復(fù)雜，阻礙了人造樹(shù)葉的應(yīng)用。

李華豐及團(tuán)隊(duì)成員研發(fā)的新型雙功能人造樹(shù)葉，與已報(bào)道的人造樹(shù)葉相比，具有一系列新的優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)了氣液、液液、氣氣多相結(jié)合催化反應(yīng)體系的構(gòu)建；獨(dú)立的氧化和還原反應(yīng)體系，增加反應(yīng)接觸頻率提高了轉(zhuǎn)化效率，其反應(yīng)速率是混合體系2.7倍，并牽制了電子進(jìn)行定向移動(dòng)，電荷分離效率提高2.8倍；使用壽命也得到了延長(zhǎng)，相當(dāng)于毛泡桐樹(shù)葉壽命的1.8倍，并且在極端環(huán)境條件下仍能進(jìn)行光合作用，其“工作”溫度在-20℃?120℃之間。

“生活中樹(shù)葉只能在光照射下進(jìn)行光合作用。我們研發(fā)的人造樹(shù)葉，不僅在光照下能夠進(jìn)行光合作用，還可以把多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存，在黑暗條件下釋放能量繼續(xù)進(jìn)行光合作用?！崩钊A豐介紹說(shuō)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的二次能源，是可持續(xù)能源技術(shù)的核心概念，此前的能源儲(chǔ)存主要集中在化學(xué)品的轉(zhuǎn)化，而將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在人造樹(shù)葉中，實(shí)現(xiàn)按需轉(zhuǎn)化的相關(guān)報(bào)道極少。

李華豐表示，由于太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的不可預(yù)測(cè)性以及晝夜周期性變化和能源需求之間的不匹配，將太陽(yáng)能收集與光合作用的演變分離是先進(jìn)的“人造樹(shù)葉”設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。他們的研究成果，實(shí)現(xiàn)了“按需”進(jìn)行光合作用，可以更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源儲(chǔ)存方面的挑戰(zhàn)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153637

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/7/527192.shtm 《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：2024.7.28