Fotosensoryzatory Spirulina dla ogniw słonecznych (badanie Phycobiliprotein)

- Mar 09, 2018 -


Autor

Liqiu Wang, 1 Liang Tian, 1 Xinxin Deng, 1 Mengyi Zhang, 2 Shuping Sun, 1 Wei Zhang, 1 i Lin Zhao 1

1 Wyższa Szkoła Inżynierii Środowiska i Chemii, Uniwersytet Yanshan, Qinhuangdao, Hebei 066004, Chiny
2 College of Life Sciences, Uniwersytet Nankai, Tianjin 300071, Chiny

 

Abstrakcyjny

Spirulina jest rodzajem niebieskozielonych alg o dobrej skuteczności fotosyntezy i może być wykorzystywana do wytwarzania energii fotowoltaicznej. W tym artykule wykorzystano żywą spirulinę jako nowy fotosensybilizator do budowy komórki biosolarnej spiruliny. Wyniki pokazały, że spirulina miała efekt konwersji fotoelektrycznej i mógł pozwolić komórce biosolarnej spiruliny na działanie fotofurwaru o natężeniu 70 μA. Tymczasem, dodając glukozę sacharozę lub chitozan w komorze anodowej spiruliny, mogli oni uzyskać maksymalną gęstość prądu komórki znacznie zwiększoną odpowiednio o 80 μA, 100 μA i 84 μA, a sacharoza mogłaby poprawić maksymalną gęstość mocy komórki do 63 mW / m -2 . Fikobiliproteina odegrała ważną rolę w fotosyntezie spiruliny. Tak więc w tym artykule fikobiliproteina została wyekstrahowana ze spiruliny do kompozytu z barwnikiem squarainowym w celu uwrażliwienia nanokrystalicznego TiO 2 na fotodiodę budowania sensybilizowanego ogniwa słonecznego, a także zbadano właściwości fotoelektryczne komórki.

 

1. Wstęp

Wiele fotosensybilizatorów [1-4] zostało wykorzystanych do skonstruowania urządzeń fotograficznych, takich jak organiczne barwniki, nieorganiczne nanomateriały i biomasa. Ogniwa słoneczne są głównymi urządzeniami fotograficznymi, które osiągają konwersję energii świetlnej na energię elektryczną. W szczególności ogniwa słoneczne oparte na zasadzie fotosyntezy roślin i alg mają ogromny potencjał do rozwoju i stosowania [5-9]. W 1911 r. Brytyjski botanika Potter odkrył, że drobnoustroje mogą wytwarzać prąd [10]. Po 1980 roku, pośrednie transfery elektronów były szeroko stosowane w celu znacznego zwiększenia mocy wyjściowej mikrobiologicznych ogniw paliwowych. W 1999 r. Tatsuo Yagishita i in. badał Synechococcus z glukozą do produkcji energii elektrycznej [11]. Naukowcy z University of Massachusetts odkryli, że bakterie redukujące żelazo Rhodospirillum mogą metabolizować węglowodany i wytwarzać energię elektryczną [12]. Amerykański naukowiec Logan wstrzyknął nową witalność w badania mikrobiologicznych ogniw paliwowych (MFC) poprzez swoje badania nad oczyszczaniem ścieków i wytwarzaniem energii mikrobiologicznej [13-17]. Spirulina to pradawne niebiesko-zielone algi [18], a wzrost i ekspansja spiruliny są szybkie, łatwe i dogodne ze względu na uprawę pH 8,6-9,5 i mniejsze wymagania dla środowiska [19, 20]. Ma efektywność wykorzystania energii słonecznej do 18% i wydajność fotosyntezy do 43% (ponad 3-krotnie wyższe niż w przypadku roślin zaawansowanych) ze względu na fikobiliproteinę. Tak więc ta praca miała na celu ekstrakcję fikobiliproteiny ze spiruliny i wykorzystała ją jako fotosensybilizator do uczulenia nano-TiO2 w celu wyposażenia wrażliwego ogniw słonecznych w barwnik [21]. Tymczasem zastosowaliśmy żyjącą spirulinę do zbudowania komórki biosolarnej spiruliny [22, 23] i zbadaliśmy właściwości elektryczne komórki i wpływ węglowodanów na wydajność fotoelektryczną komórki.

 

2. Eksperymentalny

2.1. Hodowla i ekstrakcja spiruliny

Spirulina była hodowana za pomocą pożywki Zarrouk lub średniej spiruliny w 28 ° C przy świetle 3000 lx i okresie świecenia 12 L / 12 D i była trenowana przez 20 dni [24] dla eksperymentu. Fikobiliproteina została wyekstrahowana ze spiruliny za pomocą wielokrotnego zamrażania i topienia w technologii ultradźwiękowej.

 

2.2. TiO 2 Film i jego uczulanie za pomocą Fikobiliproteiny i Kwarambiproteiny

Folia nanometrowa TiO2 została przygotowana na elektrodzie szklanej za pomocą zolu-żelu z tytanianu butylu, dietanoloaminy, alkoholu etylowego i PEG i uczulona za pomocą odpowiednio metody impregnowanej za pomocą fikobiliproteiny lub pochodnej kwasu fosfiproteinowego. Barwnik squaraine z grupą Np-karboksybenzylową zsyntetyzowano za pomocą odnośnika [25].

 

2.3. Konstrukcja komórki Biosolarnej Spirulina

Biosolarna komórka spiruliny składała się z komory anodowej i komory katodowej oddzielonej klapką, a klapa była wyposażona w membranę do wymiany protonów (Nafion, 14 cm2 ). Dwie elektrody grafitowe w anodzie i komorze katodowej (około 10 cm2 ) umieszczono blisko obu stron membrany do wymiany protonów, a elektroda referencyjna Ag / AgCl w komorze anodowej była blisko anody. Spirulinę w pożywce hodowlanej (240 ml) z lub bez glukozy, sacharozy lub chitozanu dodano do komory anodowej, podczas gdy pożywka hodowlana (240 ml) znajdowała się w komorze katodowej.

 

2.4. Wykrywanie komórki Biosolarnej Spirulina

Komórkę biosolarną spiruliny umieszczono pod ksenonowym źródłem światła w odległości 22 cm od powierzchni anolitu. Zdolność konwersji fotoelektrycznej ogniwa słonecznego wykryto w 28 ° C pod lampą ksenonową za pomocą elektrochemicznego stanowiska pracy.

 

3. Wyniki i dyskusja

3.1. Spirulina i Phycobiliprotein Fotosensybilizatory

Figura 1 wykazała, że hodowane spiruliny były zielone i krętki, podczas gdy fikobiliproteina ekstrahowana ze spiruliny była niebieska. Maksymalna długość fali emisji fluorescencji fikobiliproteiny wynosiła 650 nm. Fikobiliproteina uwrażliwiała nano-TiO2 anodę filmową i zmontowano ją do ogniwa słonecznego uczulanego barwnikiem z roztworem acetonitrylu KI / I2 jako elektrolitem i grafitem jako katodą. Wyniki wykazały, że fikobiliproteina może poprawić fotowolta i prąd nano-TiO 2   film o natężeniu 273 mV i 4,2 mA, przy stosowaniu pochodnej fosko-proteinowej jako fotosensybilizatora, mogą one wynosić 407 mV i 5,7 mA.

 

Figure 1. The sample of live spirulina under microscope (a) and in incubator (b) and the phycobiliprotein extracted (c)..jpg  

 

Rysunek 1: Próbka żywej spiruliny pod mikroskopem (a) oraz w inkubatorze (b) i wyekstrahowanej fikobiliproteinie (c).

 

 

3.2. Komórka bakteryjna Spirulina Biosolar i jej zasada działania

Struktura i zasada działania komórki biosolarnej spiruliny pokazano na rysunkach 2 i 3. Spirulina jako alga wytwarzająca energię elektryczną w anolicie emitowała elektrony w wyniku fotosyntezy i metabolizmu oddychania w świetle, a elektrony przenoszono na anodę. W tym samym czasie protony zostały wyprodukowane, a następnie przeniesione na powierzchnię katody po przejściu przez membranę wymiany protonów, aż protony reagowały z tlenem i elektronami tworząc wodę.

 

Figure 2. Schematic structure of the spirulina biosolar cell..jpg  

Figura 2: Schematyczna struktura komórki biosolarnej spiruliny. 1: katoda, 2: membrana wymiany protonów, 3: anoda, 4: elektroda odniesienia, 5: anolit, 6: spirulina, 7: elektrochemiczne stanowisko pracy, 8: rura wlotowa i 9: katolit .

 

Figure 3. Electrons transfer mechanism of the spirulina biosolar cell..jpg


 

3.3. Fotokomórka komórki Biosolarnej Spirulina

Rysunek 4 pokazuje zmienne krzywe prądu z czasem dla komórek pod ciemnością i światłem. B1 reprezentował krzywą dla komórki z 240 ml pożywki hodowlanej w każdej z komór, podczas gdy S1 dla komórki z 240 ml spiruliny hodowanej przez dwadzieścia dni w komorze anodowej i 240 ml pożywki hodowlanej w komorze katody. W 900 s nie było światła. Gdy świeciło przez 900 s, prąd wzrósł i spadł, gdy oświetlenie zostało usunięte w 1900 s. B1 wskazywał, że prąd polaryzacji ogniwa wzrósł o 19 μA z powodu podwyższonej temperatury roztworu i zmniejszenia wewnętrznej rezystancji w roztworze pod oświetleniem. Prąd komórki pod oświetleniem został znacznie zwiększony (S1) o 70 μA z powodu elektronu wytworzonego ze spiruliny w procesie fotosyntezy, a po usunięciu światła prąd nieco się zmniejszył. Figura 5 pokazała, że prąd komórki bionośnej spiruliny powinien być zwiększony o 240 μA pod światłem przez 6 godzin.

Figure 4.Current-time curves of the solar cell with and without spirulina under light and dark..jpg  


 

Figure 5. Current-time curve of the spirulina biosolar cell under the light for 6 h..jpg  


 

3.4. Wpływ węglowodanów na fotokomórkę ogniwa słonecznego

Figura 6 pokazuje wpływ węglowodanów na fotoprzewodzące komórki biosolarne spiruliny w ciemności i świetle. B2 wskazał zmianę prądu w czasie dla komórki z 2 g sacharozy w 240 ml komory anodowej medium hodowlanego. S3 wykazał, że prąd generowany przez komórkę biosolarną spiruliny z 2 g sacharozy w komorze anodowej został zwiększony o 100 μA i wskazał, że obecność sacharozy może znacząco pobudzić produkcję elektronów w procesie fotosyntezy spiruliny. Po usunięciu światła prąd ogniwa uległ niewielkiemu zmniejszeniu. S4 i S5 wyjaśniły, że prąd maksymalny tylko nieznacznie spadł, powtarzając eksperymenty z powodu niewielkiej utraty spiruliny. Figura 7 pokazała, że fotoprąda komórki biosolarnej spiruliny z 3,8 g sacharozy w komorze anodowej była zwiększona o 389 μA pod światłem przez 4 godziny.

 

 

Figure 6.Current-time curves of the solar cell with sucrose in the anode chamber under the light and dark for three times. .jpg  

 

 

Figure 7. Current-time curve of the spirulina solar cell with sucrose under the light for 4 h..jpg  


 

Zbadano wpływ innych węglowodanów na fotoprzewodzące komórki biosolarne spiruliny. Wyniki przedstawiono w Tabeli 1. Data wskazała, że glukoza i chitozan sprawiły, że fotoprąd komórek słonecznych zwiększył się odpowiednio o około 80 μA i 84 μA. Wśród nich najlepszy był efekt konwersji fotoelektrycznej komórki biosolarnej spiruliny z sacharozą i można go było poprawić w przybliżeniu o 100 μA.


Table 1. Current of the biosolar cell with spirulina and carbohydrates..jpg  


 

Węglowodany mogą poprawić szybkość fotosyntezy i konwersję fotoelektryczną komórki biosolarnej spiruliny dzięki polepszeniu aktywności heksokinazy (enzymu związanego z fotosyntezą cyjanobakterii). W procesie węglowodany prawdopodobnie zrekompensowały brak źródła węgla i sprzyjały zmniejszeniu konsumpcji ATP i NADPH w wykorzystaniu węgla przez komórki. Te egzogenne węglowodany dostarczyły elektrony, tak jak zrobiła to endogenna skrobia lub glukoza i spowodowały przepływ elektronów do PS I. Tymczasem polepszyły gradient protonowy przechodzącej błony tylakoidowej, poziom fosforylacji fotosyntetycznej w komórce i wydajność emitowania elektronów ze spiruliny.

 

4. Konkluzje

Kompozyty Phycobiliprotein-squaraine miały dobrą skuteczność w poszerzaniu i wzmacnianiu absorpcji światła UV-Vis i emisji fluorescencji w warstwie TiO 2 oraz polepszaniu fotowoltai i fotoprądu DSSC. Żywa spirulina miała efekt konwersji fotoelektrycznej i mógł przesyłać fotoelektrony przez fotosyntezę z cytomembrany w komórce biosolarnej spiruliny. Węglowodany mogłyby dodatkowo poprawić fotoprzewodzącą energię słoneczną. Wśród nich najlepszym dodatkiem była sacharoza, która mogła zwiększyć gęstość prądu i gęstość komórek biosolarnych spiruliny odpowiednio o 100 μA i 30 mW / m -2 . Biosolarna spirulina będzie miała duży potencjał do praktycznych zastosowań.

 

Konflikt interesów

Autorzy oświadczają, że nie mają bezpośredniego powiązania finansowego z tożsamością handlową wspomnianą w niniejszym dokumencie, która mogłaby doprowadzić do konfliktu interesów w przypadku któregokolwiek z nich.

 

Podziękowanie

Autorzy chcieliby podziękować Hebei Natural Science Foundation (nr B2011203231) i Hebei Key Laboratory of Applied Chemistry Sea Grant (Uniwersytet Yanshan) za zapewnienie finansowego wsparcia tego projektu.

 

Referencje

1. B. O'Regan i M. Grätzel, "Niedrogie, wysoko wydajne ogniwo słoneczne oparte na koloidalnych filmach TiO 2 uwrażliwionych na barwniki," Nature, vol. 353, nie. 6346, pp. 737-740, 1991. Wyświetl w Google Scholar · Zobacz na Scopus

2. PV Kamat i GC Schatz, "Nanotechnologia dla ogniw słonecznych następnej generacji", Journal of Physical Chemistry C, vol. 113, nie. 35, pp. 15473-15475, 2009. Zobacz u Wydawcy · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

3. LQ Wang, PJ Wang, Y. Liu i wsp., "Materiały indocyjaninowe w bliskiej podczerwieni do bioanalizy i fotodiody nano-TiO2 z ogniwami słonecznymi", Journal of Nanomaterials, tom. 2013, numer artykułu 695107, 5 stron, 2013. Zobacz na stronie wydawcy · Zobacz w Google Scholar

4. TF Jiao, Y. Wang, QR Zhang i wsp., "Wytwarzanie i właściwości fotokatalityczne nanocząstek złota przy użyciu dwóch bolaform pochodnych cholesterolimidowych", Journal of Dispersion Science and Technology, tom. 34, nie. 12, pp. 1675-1682, 2013. Wyświetl w Google Scholar

5. YX Shi, RB Guo, XH Xu i XL Fan, "Wstępne badanie na temat ogniw słonecznych z mikroalg", Odnawialne źródła energii, tom. 27, nie. 3, s. 15-17, 2009. Wyświetl w Google Scholar

6. H. He, Y. Feng, H. Li i D. Li, "Budowa drobnoustrojowej ogniwa paliwowego za pomocą Chlorella vulgaris", The Chinese Journal of Process Engineering, tom. 9, nie. 1, pp. 133-137, 2009. Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

7. XY Wu, CX Zhou, YF Zhi i LY Chen, "Postęp mikrobiologicznych ogniw paliwowych z mikroalgami", Environmental Science and Technology, vol. 35, nie. 4, s. 82-86, 2012. Wyświetl w Google Scholar

8. Z. Yongjin, J. Pisciotta, RB Billmyre i IV Baskakov, "Fotosyntetyczne mikrobiologiczne ogniwa paliwowe z pozytywną reakcją na światło," Biotechnology and Bioengineering, vol. 104, nie. 5, pp. 939-946, 2009. Zobacz u Wydawcy · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

9. ST Jiang, YJ Guan, SL Bai i YC Yang, "Charakterystyka generowania energii elektrycznej przez mikrobiologiczne ogniwo paliwowe z wykorzystaniem glukozy jako substratu," China Water and Wastewater, vol. 25, nie. 23, s. 38-40, 2009. Wyświetl w Google Scholar

10. MC Potter, "Efekty elektryczne towarzyszące rozkładowi związków organicznych", Proceedings of the Royal Society of London B, vol. 84, nie. 571, s. 260-276, 1911. Wyświetl w Google Scholar

11. T. Yagishita, S. Sawayama, K. Tsukahara i T. Ogi, "Wpływ dodatku glukozy i światła na prąd wyjściowy w fotosyntetycznych ogniwach elektrochemicznych przy użyciu Synechocystis sp. PCC6714, "Journal of Bioscience and Bioengineering, tom. 88, nie. 2, pp. 210-214, 1999. Zobacz na Wydawca · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

12. SK Chaudhuri i DR Lovley, "Wytwarzanie energii elektrycznej poprzez bezpośrednie utlenianie glukozy w beztlenowych mikrobiologicznych ogniwach paliwowych," Nature Biotechnology, vol. 21, nie. 10, pp. 1229-1232, 2003. Zobacz w Publisher · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

13. BE Logan, "Równoczesne oczyszczanie ścieków i wytwarzanie energii biologicznej", Water Science and Technology, vol. 52, nie. 1-2, s. 31-37, 2005. Zobacz w Google Scholar · Zobacz w Scopus

14. Subhash GV, R. Chandra i SV Mohan, "Mikroelektrochemiczne ogniwa paliwowe za pośrednictwem mikroalg umożliwiają wytwarzanie bioelektryczności za pomocą tlenowego mechanizmu fotomiksotroficznego", Bioresource Technology, tom. 136, pp. 644-653, 2013. Wyświetl w Google Scholar

15. E. Fernando, T. Keshavarz i G. Kyazze, "Równoczesna współmetaboliczna dekoloryzacja mieszanin barwników azowych i wytwarzanie bioenergii w warunkach termofilnych (50 ° C) i solnych za pomocą dostosowanej beztlenowej kultury mieszanej w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych , "Bioresource Technology, vol. 127, pp. 1-8, 2013. Wyświetl w Google Scholar

16. CC Lin, CH Wei, CI Chen, CJ Shieh i YC Liu, "Charakterystyka mikrobiologicznego ogniwa paliwowego fotosyntezy za pomocą biofilmu spirulina platensis", Bioresource Technology, vol. 135, pp. 640-643, 2013. Wyświetl w Google Scholar

17. JCW Lan, K. Raman, CM Huang i CM Chang, "Wpływ monochromatycznej niebieskiej i czerwonej diody LED na działanie foto bakteryjnych ogniw paliwowych (PMFC) przy użyciu transformacji Chlamydomonas reinhardtii F5 jako biokatalizatora," Biochemical Engineering Journal, vol. . 78, s. 39-43, 2013. Wyświetl w Google Scholar

18. GL Jin, SB Zhang i HY Wang, "Wpływ witaminy C na wzrost glonów spirulina platensis", Fisheries Science, vol. 27, nie. 4, pp. 203-204, 2008. Wyświetl w Google Scholar

19. FF Guo, W. Zong i YW Qu, "Perspektywy rozwoju i wykorzystania spiruliny", Science and Technology Information, vol. 6, s. 16-16, 2008. Wyświetl w Google Scholar

20. ZH Song i GI Huang, "Toksyczność tripenylocyny do podskórnej spiruliny", Biuletyn Środowiska Zanieczyszczenia i Toksykologii, tom. 64, nie. 5, pp. 723-728, 2000. Zobacz u Wydawcy · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

21. ACMS Esteban i EP Enriquez, "Mieszanina grafen-antocyjanina jako fotouczulacz do ogniw słonecznych uczulanych na barwniki," Solar Energy, vol. 98, pp. 392-399, 2013. Wyświetl w Google Scholar

22. RA Timmers, DPBTB Strik, HVM Hamelers i CJN Buisman, "Wytwarzanie energii elektrycznej według nowatorskiego projektu rurowego mikrobiologicznego ogniwa paliwowego," Biomass and Bioenergy, vol. 51, pp. 60-67, 2013. Wyświetl w Google Scholar

23. RA Timmers, DPBTB Strik, HVM Hamelers i CJN Buisman, "Charakterystyka wewnętrznej odporności roślinnego mikrobiologicznego ogniwa paliwowego", Electrochimica Acta, vol. 72, pp. 165-171, 2012. Zobacz na Wydawca · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

24. EJ Olguín, "Phycoremediation: kluczowe zagadnienia dla opłacalnych procesów usuwania składników odżywczych", Biotechnology Advances, vol. 22, nie. 1-2, pp. 81-91, 2003. Zobacz na Wydawca · Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

25. LQ Wang, XJ Peng, WB Zhang, F. Yin, JN Cui i XQ Gao, "Synteza i właściwości spektralne nowych, rozpuszczalnych w wodzie fluorescencyjnych indocyjanin bliskiej podczerwieni", Chinese Chemical Letters, tom. 16, nie. 3, pp. 341-344, 2005. Zobacz w Google Scholar · Zobacz na Scopus

 


Znajomość branży

Produkty powiązane

  • Najwyższej jakości zdrowotnej żywności certyfikowany organiczny Spirulina w proszku
  • Ekstrakt z płynnej niebieskiej żywicy Wyciąg spiruliny Fikocyjanina
  • Fikocyjaninę ekstrakt Spirulina Arthrospira Platensis
  • Naturalny Pigment jadalne ekstrakt Spirulina fikocyjaninę przeciwnowotworowe
  • Phycobiliprotein Blue Spirulina Extract Powder
  • Organic Spirulina przeciwzapalne fikocyjaninę proszek