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太阳光合作用制氢

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:155

  植物在光合作用过程中,可利用太阳光将水分解为活泼的氢和氧,再利用活泼氢同二氧化碳作用合成有机物。爱默生(Emerson R)发现光合作用是两个系统的协同作用,即光系统 Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)。美国田纳西大学环境生物技术研究中心和橡树岭国家实验所的研究人员已成功将光合系统Ⅰ与光合系统Ⅱ分离开来,即去掉光合系统Ⅱ和连接结构,并在光合系统Ⅰ的一侧涂上一层铂原子,在加人电子给予体后成功地制造出氢气。 我们可以这样设想:利用光合作用的两个系统从水中释放出活泼氢和高能电子,同时阻断活泼氢同二氧化碳生成有机物的过程,并把高能电子导出给活泼氢使之还原为氢气。要使这一设想称为现实,有两个技术关键需要解决:一是怎样使反应既产生活泼氢和高能电子,又不会消耗活泼氢生成碳水化合物。爱默生提出光合作用的两个系统各自吸收不同波长的光,进行不同的特征反应。PSI的反应是长波光反应,其主要特征是NADPH的还原:PSⅡ的反应是短波光反应,主要特征是水的光解和放氧。可见活泼氢的产生和还原在不同的系统中进行,因此,分离两个系统让它们单独作用是可行之的。实际上美国研究员已完成这步的工作,并证明是可行的。
  另一个技术关键问题是如何导出高能电子并传递给活泼氢,即怎样把分离的两个系统“从头到脚”重新连接起来,从而使光合系统Ⅰ可以直接利用光合系统Ⅱ分解水分子过程中产生的电子。我们知道光合作用产生的高能电子要经过复杂的电子连传递才能被利用,而从电子的产生到被利用是在 10-15-10-12秒内完成的。如此短的时间想要直接导出电子显然不可能。不过,我们可以设想利用磁场作用来解决这一问题。首先,需要提供一个强度足够大的勾强磁场并保证磁场的边界性,以保证电子有确定的偏转角;其次,得为电子提供一条合适的通道。光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ都是极其微小的,要建造这样小的匀强磁场同时保证其边界性还要提供一条足够小的电子通道,其技术难度相当高。电子的运动方向的不确定性,决定最终的前进方向的不确定性,这将影响电子导出效率。那么导出电子有效可行的方法在哪呢?除草剂的原理让我们看到了希望。除草剂能够与电子传递链中某些物质相结合,从而阻断电子传递,阻断光反应,阻断了光合作用,导致植物死亡。我们可以设想,同样可以利用某种物质(可能具有除草剂类似的结构)同电子传递链上的某种物质结合以阻止其电子传递,同时用电子受体代替这种物质导出电子并传递给活泼氢。理想的电子受体是既能够吸附活泼氢有能传递电子,使活泼氢在它表面接受电子还原成氢气。因此,该课题的研究可以从吸氢材料和及其电子传递机理人手,适宜的吸氢材料可能是含有某种活泼金属(如Ti、Fe、Mg等)和非金属(如 P)的合金

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