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新發(fā)現(xiàn):空氣也能“發(fā)電”,最新成果登鼎Nature_全球焦點(diǎn)

來源:36kr時(shí)間:2023-04-03 09:59:44

一個(gè)全新的發(fā)現(xiàn)剛剛誕生了——空氣也能轉(zhuǎn)化為電能。

具體過程是一種能將空氣轉(zhuǎn)化為能源的酶,可以將氫氣轉(zhuǎn)化為電流。而且這種酶還是純天然,它甚至可消耗低于大氣水平的氫氣,低至人類呼吸的空氣的0.00005%。

相比于用蟹殼和廢紙?jiān)祀姵?,這種天然電池酶從空氣中獲取電能,無疑為能源設(shè)備開辟了一個(gè)全新的思路。


(資料圖)

澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)研究所教授 Chris Greening和學(xué)生Ashleigh Kropp,發(fā)現(xiàn)了這種酶,并將成果發(fā)在了《Nature》雜志上。

這種酶非常高效,一旦能夠落地商用,未來一些小型電子設(shè)備就可以直接由空氣驅(qū)動(dòng)了。

01 天然電池酶

其實(shí)人們?cè)缇椭?,存在一種能將微量氫轉(zhuǎn)化為能量的細(xì)菌,但這些微生物一般存在于南極土壤、火山口或深海中。

而且一直以來都搞不清楚這種生物是怎樣產(chǎn)生能量的,在本次研究中,澳大利亞研究小組解釋了原因。

他們?cè)谝环N名叫“恥垢分枝桿菌”的土壤細(xì)菌中,分解出一種耗氫酶(Huc),在先進(jìn)技術(shù)的加持下,研究組破譯了氫轉(zhuǎn)化的分子藍(lán)圖。也正是這種酶,可以利用空氣中的微量氫作為能量來源,幫助細(xì)菌生長(zhǎng)和生存。

Huc可視化

Huc酶非常高效,它與普通的化學(xué)催化劑不同,在反應(yīng)過程中,Huc酶所消耗的氫氣甚至低于大氣水平。就算是在稀薄空氣中氫含量很少,也能產(chǎn)生能量。

在此之前,澳大利亞研究小組一直沒找到合適的方式來長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)濃縮的酶,但好在Huc擁有極其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

就在把它放在低于冰點(diǎn)和高達(dá)80攝氏度的環(huán)境中,也不會(huì)限制其分子的能量產(chǎn)生,只要與空氣中的微量氫氣相遇,Huc酶就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)不斷的電流。

所以說,產(chǎn)生電流的步驟非常簡(jiǎn)單,僅需要兩步:

首先從土壤細(xì)菌中分解出來Huc酶,然后讓Huc酶與空氣中的氫氣發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生電流。

那么問題來了,Huc酶是如何被選中的?

澳大利亞小組通過分解恥垢分枝桿菌中氧化的結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn),這種細(xì)菌中擁有2種氫化酶,分別是Huc和Hhy,這兩種酶都能將氫氣氧化至亞大氣壓水平。

他們通過低溫電子顯微鏡確定了其原子結(jié)構(gòu)和電通路,突破界限以產(chǎn)生迄今為止該方法報(bào)告的解析度最高的酶結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)Huc是一種高效的不敏感酶,可將大氣中的氫氣氧化與呼吸電子載體甲萘醌進(jìn)行氫化組合。

使用HucS亞基上的染色體編碼的Strep-tag II從恥垢分枝桿菌中分離出 Huc,通過SDS-PAGE表明,Huc 由對(duì)應(yīng)于 HucL(約58 kDa)、HucS–2×Strep(約 39 kDa)和第三個(gè)未知亞基(約 18 kDa)的三個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成。

Huc包含HucS、HucL、HucM

研究人員測(cè)試了純化的Huc在環(huán)境空氣中氧化3至100 ppm的H2的能力,用硝基藍(lán)四氮唑(NBT)作為電子接受體,Huc迅速消耗H2,使其低于氣相色譜儀的檢測(cè)限(約40 ppbv)。

Huc的分離和純化

這意味著它能夠適應(yīng)于氧化大氣中的H2,具有高親和力(Km = 129 nM)和低H2閾值(<31 pM),但周轉(zhuǎn)慢,表明該酶在低H2濃度下也是非常有效。

在特殊顯微鏡下,Huc的分子形狀像四葉草,通過柄狀突起與膜囊泡相關(guān)聯(lián)。此外,他們?cè)谟^察中發(fā)現(xiàn),Huc呈紅棕色,在室溫下高度穩(wěn)定,熔化溫度為 78.3 °C。

在與氫氣的反應(yīng)過程中,Huc 又表現(xiàn)了“不穩(wěn)定性”,其能夠在低于大氣壓的濃度下進(jìn)行氫氣氧化,并且在很大程度上對(duì)氧氣進(jìn)行抑制,也就是說,Huc 天生就對(duì)氫氣極為敏感,而氧氣剛好進(jìn)入其活性瓶頸。

02 有什么實(shí)際價(jià)值?

其實(shí)早在之前,就已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn),世界上存在多種多樣的好氧細(xì)菌利用大氣中的H2作為生長(zhǎng)和生存的能量來源。

但大多數(shù)情況下,這些酶容易被O2可逆或不可逆地抑制。澳大利亞學(xué)者此次發(fā)現(xiàn)的Huc酶,更加穩(wěn)定,在特定情況下,也具備一定的商業(yè)價(jià)值。

目前常見的發(fā)電方式為水力發(fā)電和火力發(fā)電,也就是說,利用發(fā)電動(dòng)力裝置將水能、化石燃料的熱能、核能以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Q竽艿绒D(zhuǎn)化為電能。

來源:網(wǎng)絡(luò)

大多國(guó)家多以火力發(fā)電為主,其發(fā)電量在總發(fā)電中所占比重為70%以上。

比如日、德的火電所占比重在60%以上;其中挪威、瑞士的水力發(fā)電量均占總發(fā)電量的90%左右,加拿大超過70%,瑞典也超過60%;芬蘭和南斯拉夫則水電與火電各占一半;法國(guó)以核電為主,其發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上。

在20世紀(jì)末多用化石燃料,但這些多屬于不可再生資源,在社會(huì)不斷發(fā)展的過程中,電能使用越來越多,人們也已多使用可再生資源來發(fā)電

找到天然、可再生資源來產(chǎn)生電能,是一項(xiàng)可持續(xù)性開發(fā)的項(xiàng)目,不僅澳大利亞小組致力于開發(fā)天池電池,以色列理工學(xué)院,還找到了從海藻中開發(fā)出電流的方式,也就是說,把海藻的光合作用和生物光電化學(xué)電池結(jié)合起來,在該技術(shù)產(chǎn)生的電流竟然與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能收集器技術(shù)獲得的電流相當(dāng)。

來源:網(wǎng)絡(luò)

不少科學(xué)家也在尋找“變廢為電”的好法子,充電速度增加4倍的硅電池,還有木頭電池、水果發(fā)電等,都是為了降低電池成本,尋找更快速的充電方式。

作為“天然電池”,Huc可以和氫氣達(dá)到持續(xù)的電流輸出,但目前研究的進(jìn)度還處于起步階段,但可以確定的是,未來Huc可以作為開發(fā)小型氣動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ),比如手表或者智能手機(jī)。

但僅僅是這樣還不夠,此團(tuán)隊(duì)希望能夠?qū)Ψ肿舆M(jìn)行特定的改變,對(duì)細(xì)菌基因組進(jìn)行修飾,同時(shí)擴(kuò)大Huc酶的生產(chǎn)規(guī)模,然后和工程師合作設(shè)計(jì)利用其產(chǎn)生的電能工作的設(shè)備,從而發(fā)揮出Huc酶最大的優(yōu)勢(shì)。

此外,Huc已經(jīng)可以作為氫的生物傳感器,因?yàn)榭梢栽谏倭繗渲羞M(jìn)行電子釋放,因此Huc酶也可以成為靈敏的測(cè)量系統(tǒng)。

但也有人對(duì)此展望產(chǎn)生懷疑,擁有一家初創(chuàng)氫能公司的麥考瑞大學(xué)的羅伯特威洛斯認(rèn)為,從稀薄的空氣中產(chǎn)生能量的想法是“不切實(shí)際”的,他給出的理由是,雖然能產(chǎn)生少量的電流,但這僅僅是適用于需要極少量能量的東西來說,就算是應(yīng)用于手表之類,未免過于低效。

未來Huc的功能未來被開發(fā)到什么程度還不確定,但一個(gè)事實(shí)是,喝西北風(fēng),的確可以充電。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05781-7

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