将太阳能转换效率提高到100%可能么？

update

试图模仿的光合作用系统，见于植物和一些细菌中，科学家们已经迈出了一步，开发出一种人工捕光系统（LHS：light-harvesting system），可以满足这种系统的关键要求之一：约100％的能量转移效率。对于开发有益的人工捕光系统而言，虽然高能量转换效率只是一个组成部分，但是，这一成就可能带来清洁太阳能燃料技术，把阳光转换成化学燃料。



运用“大小匹配效果，”把卟啉染料（porphyrin dye）分子排列在粘土表面，研究人员展示了大约100％的能量转换效率，这是一个重要的条件，可用于设计高效人工捕光系统。

研究人员中，领导是绅助高木（Shinsuke Takagi），他来自东京都立大学（Tokyo Metropolitan University）和日本科学技术局（Japan Science and Technology Agency）胚胎科技前沿研究部（PRESTO：Precursory Research for Embryonic Science and Technology），他们已经发表了他们的研究作品，探讨人工捕光系统，就在最近一期的《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。

“为了制成人工捕光系统，差不多必须有100％的高效率，”高木说。“因为捕光系统的能量转换由许多步骤组成，如果每一步的能量转换效率都是90％，那么总体能量转换效率就会变低。例如，如果有5个能量转换步骤，总体能量转换效率就是0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 × 0.9 = 0.59。这样，有效的能量转换反应就起着重要作用，可以实现高效的日光采集，用于人工捕光系统。”

研究人员在他们的研究中解释，自然捕光系统，就像在紫细菌或植物叶子中的那些，都包含规则排列的分子，可有效地收集阳光，把激发的能量传递到系统的反应中心。人工捕光系统的（或“人工树叶”）尝试要做同样的事情，使用的是功能性染料分子。

该贴已经同步到 update的微博

update

在前人研究成果的基础上，科学家们选择使用两种类型的卟啉染料分子，以达到这个目的，这些分子他们排列在粘土表面。分子在粘土表面倾向于聚集或分隔，这是具有挑战性的，因为研究人员要排列这些分子，形成规则的模式，就像它们的自然对应物一样。

“一种分子排列要具有适当的分子间距，这很重要，因为要达到近100％的能量转换效率，”高木说。“如果分子间的距离太近，其他反应如电子转移和光化学反应就会发生。如果分子间的距离太远，钝化的兴奋染料就会超过能量转换反应。”

为了达到适当的分子间距，科学家们开发出一种新的制备工艺，就是使卟啉分子中的带电荷基（charged sites）之间的距离，匹配粘土表面带负电荷（阴离子）基（negatively charged [anionic]sites）之间的距离。这种效果，研究人员称之为“大小匹配规则”，有助于抑制一些主要因素，就是使卟啉分子倾向于聚集或分隔的因素，并把分子固定在合适均匀的分子间距中。高木解释说，在形成分子模式时，这一策略显著不同于其他方法。

“这一方法是独一无二的，”他说。“在通常自组装系统的情况下，形成这种排列，就需要客-客体相互作用（guest-guest interactions）。在我们的系统中，主客体相互作用（host-guest interactions）发挥了至关重要的作用，可实现特殊的染料排列。因此，通过改变主体材料，就可以控制粘土表面的染料分子排列。”

正如研究人员证明，规则排列的分子带来的激发能量转移效率高达100％。结果表明，卟啉染料分子和粘土主体材料看起来像是一种有希望的候选材料，可用于人工捕光系统。

“目前，我们的系统只包含两种染料，”高木说。“下一步，必须结合几种染料来吸收所有阳光。我们系统的特征点之一，是很容易同时使用几种染料。因此，我们的系统是一种有希望的候选材料，可用于实际的捕光系统，利用所有的阳光。我们相信，即使是光化学反应部分，也可以结合在相同的粘土表面。如果这个系统制成了，结合光化学反应中心，这种系统就可以被称为“无机叶”。

更多信息：《高效激发能量转移反应用粘土/卟啉混合物制备人工捕光系统》（Efficient Excited Energy Transfer Reaction in Clay/Porphyrin Complex toward an Artificial Light-Harvesting System）。”《美国化学学会杂志》

原文链接：http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/ja204425u