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新发现!空气也能“发电”,最新成果登鼎Nature

[2023-04-02 13:48:00] 来源:超电实验室 编辑:曹婷婷 点击量:
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导读:一个全新的发现刚刚诞生了——空气也能转化为电能。  具体过程是一种能将空气转化为能源的酶,可以将氢气

  一个全新的发现刚刚诞生了——空气也能转化为电能。

  具体过程是一种能将空气转化为能源的酶,可以将氢气转化为电流。而且这种酶还是纯天然,它甚至可消耗低于大气水平的氢气,低至人类呼吸的空气的0.00005%。

  相比于用蟹壳和废纸造电池,这种天然电池酶从空气中获取电能,无疑为能源设备开辟了一个全新的思路。

  新发现!空气也能“发电”,最新成果登鼎Nature

  澳大利亚墨尔本莫纳什大学生物医学发现研究所教授 Chris Greening和学生Ashleigh Kropp,发现了这种酶,并将成果发在了《Nature》杂志上。

  这种酶非常高效,一旦能够落地商用,未来一些小型电子设备就可以直接由空气驱动了。

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  天然电池酶

  其实人们早就知道,存在一种能将量氢转化为能量的细菌,但这些微生物一般存在于南极土壤、火山口或深海中。

  而且一直以来都搞不清楚这种生物是怎样产生能量的,在本次研究中,澳大利亚研究小组解释了原因。

  他们在一种名叫“耻垢分枝杆菌”的土壤细菌中,分解出一种耗氢酶(Huc),在先进技术的加持下,研究组破译了氢转化的分子蓝图。也正是这种酶,可以利用空气中的微量氢作为能量来源,帮助细菌生长和生存。

  新发现!空气也能“发电”,最新成果登鼎Nature

  Huc可视化

  Huc酶非常高效,它与普通的化学催化剂不同,在反应过程中,Huc酶所消耗的氢气甚至低于大气水平。就算是在稀薄空气中氢含量很少,也能产生能量。

  在此之前,澳大利亚研究小组一直没找到合适的方式来长时间存储浓缩的酶,但好在Huc拥有极其稳定的结构。

  就在把它放在低于冰点和高达80摄氏度的环境中,也不会限制其分子的能量产生,只要与空气中的微量氢气相遇,Huc酶就会产生持续不断的电流。

  所以说,产生电流的步骤非常简单,仅需要两步:

  首先从土壤细菌中解出来Huc酶,然后让Huc酶与空气中的氢气发生反应,产生电流。

  那么问题来了,Huc酶是如何被选中的?

  澳大利亚小组通过分解耻垢分枝杆菌中氧化的结构后发现,这种细菌中拥有2种氢化酶,分别是Huc和Hhy,这两种酶都能将氢气氧化至亚大气压水平。

  他们通过低温电子显微镜确定了其原子结构和电通路,突破界限以产生迄今为止该方法报告的解析度最高的酶结构。发现Huc是一种高效不敏感酶,可将大气中的氢气氧化与呼吸电子载体甲萘醌进行氢化组合。

  使用HucS亚基上的染色体编码的Strep-tag II从耻垢分枝杆菌中分离出 Huc,通过SDS-PAGE表明,Huc 由对应于 HucL(约58 kDa)、HucS–2×Strep(约 39 kDa)和第三个未知亚基(约 18 kDa)的三个蛋白质亚基组成。

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  Huc包含HucS、HucL、HucM

  研究人员测试了纯化的Huc在环境空气中氧化3至100 ppm的H2的能力,用硝基蓝四氮唑(NBT)作为电子接受体,Huc迅速消耗H2,使其低于气相色谱仪的检测限(约40 ppbv)。

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  Huc的分离和纯化

  这意味着它能够适应于氧化大气中的H2,具有高亲和力(Km = 129 nM)和低H2阈值(<;31 pM),但周转慢,表明该酶在低H2浓度下也是非常有效

  在特殊显微镜下,Huc的分子形状像四叶草,通过柄状突起与膜囊泡相关联。此外,他们在观察中发现,Huc呈红棕色,在室温下高度稳定,熔化温度为 78.3 °C。

  在与氢气的反应过程中,Huc 又表现了“不稳定性”,其能够在低于大气压的浓度下进行氢气氧化,并且在很大程度上对氧气进行抑制,也就是说,Huc 天生就对氢气极为敏感,而氧气刚好进入其活性瓶颈。

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  有什么实际价值?

  其实早在之前,就已经有研究发现,世界上存在多种多样的好氧细菌利用大气中的H2作为生长和生存的能量来源。

  但大多数情况下,这些酶容易被O2可逆或不可逆地抑制。澳大利亚学者此次发现的Huc酶,更加稳定,在特定情况下,也具备一定的商业价值。

  目前常见的发电方式为水力发电和火力发电,也就是说,利用发电动力装置将水能、化石燃料的热能、核能以及太阳能、风能、地热能、海洋能等转化为电能,

  大多国家多以火力发电为主,其发电量在总发电中所占比重为70%以上。

  比如日、德的火电所占比重在60%以上;其中挪威、瑞士的水力发电量均占总发电量的90%左右,加拿大超过70%,瑞典也超过60%;芬兰和南斯拉夫则水电与火电各占一半;法国以核电为主,其发电量占总发电量的70%以上。

  在20世纪末多用化石燃料,但这些多属于不可再生资源,在社会不断发展的过程中,电能使用越来越多,人们也已多使用再生资源来发电

  找到天然、可再生资源来产生电能,是一项可持续性开发的项目,不仅澳大利亚小组致力于开发天池电池,以色列理工学院,还找到了从海藻中开发出电流的方式,也就是说,把海藻的光合作用和生物光电化学电池结合起来,在该技术产生的电流竟然与标准太阳能收集器技术获得的电流相当。

  不少科学家也在寻找“变废为电”的好法子,充电速度增加4倍的硅电池,还有木头电池、水果发电等,都是为了降低电池成本,寻找更快速的充电方式。

  作为“天然电池”,Huc可以和氢气达到持续的电流输出,但目前研究的进度还处于起步阶段,但可以确定的是,未来Huc可以作为开发小型气动设备的基础,比如手表或者智能手机

  但仅仅是这样还不够,此团队希望能够对分子进行特定的改变,对细菌基因组进行修饰,同时扩大Huc酶的生产规模,然后和工程师合作设计利用其产生的电能工作的设备,从而发挥出Huc酶最大的优势。

  此外,Huc已经可以作为氢的生物传感器,因为可以在少量氢中进行电子释放,因此Huc酶也可以成为灵敏的测量系统。

  但也有人对此展望产生怀疑,拥有一家初创氢能公司的麦考瑞大学的罗伯特威洛斯认为,从稀薄的空气中产生能量的想法是“不切实际”的,他给出的理由是,虽然能产生少量的电流,但这仅仅是适用于需要极少量能量的东西来说,就算是应用于手表之类,未免过于低效。

  未来Huc的功能未来被开发到什么程度还不确定,但一个事实是,喝西北风,的确可以充电。

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