地空学院鲁安怀课题组在PNAS宣布矿藏转化太阳能
来源:河北涞源网 发表于2019-07-10 16:33:30 编辑:麦迪
摘要: 2019年4月22日,《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,PNAS)在线宣布了北京大学地球与空间科学学院鲁安怀、

  2019年4月22日,《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,PNAS)在线宣布了北京大学地球与空间科学学院鲁安怀、李艳和丁竑瑞以及物理学院刘开辉与美国Virginia Tech大学Michael F. Hochella Jr.等协作完结的题为“”的研讨成果。

  地球陆地上有机生物和无机矿藏一起暴露在阳光下。众所周知的是,数十亿年来有机生物进化出杂乱而精巧的胞内光协效果体系,可将太阳能转化为生物化学能,这一机制已得到深化知道与广泛使用。但是,在天然界没有观察到非生物的太阳光搜集与使用体系,即暴露在太阳光下地球外表广泛散布的天然矿藏,其长时间遭到太阳光辐射的呼应机制,一向未被知道与使用。

  鲁安怀等首先在天然界发现了无机矿藏转化太阳能体系,提出太阳光不只效果于地表生物发作经典光协效果,也一向效果于地表矿藏发作非经典“矿藏光协效果”。他们经过对中国北方戈壁、沙漠以及南边喀斯特和红壤等典型地貌中岩石/土壤样品的深化体系观测剖析,发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体外表遍及被一层铁锰(氢氧)氧化物“矿藏膜”(mineral coating)所掩盖。“矿藏膜”厚度从数十纳米到上百微米不等,其结构结构与化学成分显着差异于被包覆的岩石或土壤,富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿藏,呈现出“膜”状结构结构特征。特别地,“矿藏膜”产出特征和发育情况与日照联系极为亲近,如富锰矿藏仅在日光照耀下的红壤矿藏颗粒、喀斯特和戈壁岩石正面“矿藏膜”中呈现,常见于半导体功用优秀的层状结构水钠锰矿,而无光照的岩石反面则不富集水钠锰矿。在全球陆地体系中,深色富锰“矿藏膜”的散布恰与太阳光的强辐射区域相吻合。此现象在类地行星外表也有发现,如火星外表相同发现深色富锰“矿藏膜”存在于暴露岩石外表的依据。这一发现还标明,在锰化合物光电转化功用上,岩石/土壤外表承受太阳光辐射的富锰“矿藏膜”与生物光协效果体系PSII光反响释氧活性中心为锰簇(配)合物,具有异曲同工之妙。

  研讨人员经过使用将微区与原位光电测验手法,直接测定天然“矿藏膜”半导体光电效应,取得“矿藏膜”与基岩高空间分辨率(微米)光电流信号面散布成果。研讨还发现富铁锰“矿藏膜”区域表现出显着的光电流信号,而无铁锰元素富集的基岩不发作光电流呼应(图1),这提醒出天然“矿藏膜”具有安稳、活络的日光光子—光电子转化才能,取得其在必定波长下具有安稳光电转化功率(IPCE)的新知道,证明地球陆地上无机矿藏也是太阳光能量吸收与转化的一类重要物质。

  图1 地表铁锰氧化物半导体“矿藏膜”原位发作日光光电流效应

  针对地表广泛发育的铁锰氧化物“矿藏膜”具有太阳光光电转化的半导体效应这一天然规律的发现,课题组提出在阳光照耀下地表铁锰氧化物“矿藏膜”是地球上散布最广的太阳能薄膜“新圈层”,无疑承载着吸收转化太阳能并驱动地球化学元素循环、地球物质演化与地球环境演化等重要功用(图2)。这一新发现为深化理解日光照耀下地表矿藏所驱动的外动力地质效果,及其在地球环境演化与生物进化进程中所扮演的重要人物供给了簇新视角,极大地提升了关于无机天然界中存在与生物光协效果适当的太阳能转化使用体系的认知水平。

  图2 相似人工太阳能薄膜功用的地表天然“矿藏膜”构成了地球“新圈层”

  在天然界已知的太阳光子和元素价电子两种根本能量方法基础上,他们新提出矿藏光电子是地表遍及存在的第三种能量方法的理论。这一新发现拓宽了经典光协效果模型,为地球生命活动能量来历及地表地球化学进程吸收使用太阳能供给了新模式,也为太阳系中类地行星如火星外表无机矿藏转化使用太阳能供给了重要学习,将发作深远的影响。

  该项研讨作业首要获国家973项目(2019CB846001)、国家要点研制方案(2019YFA0300903)和国家天然科学基金要点项目(41230103)及优秀青年基金项目(41522201)等赞助。

  对“PNAS宣布矿藏转化太阳能”作业的评述

  

  中国科学院光生物学要点试验室主任 ?林荣呈 ?研讨员

  地球生命的来源、进化与环境的变迁、演化进程均依靠能量的获取与转化。在以往有关地表物质能量获取方法的认知中,光协效果被誉为地球上规模最大、最重要的能量转化反响。光协效果是植物、藻类和光养微生物吸收使用光能将水和二氧化碳转变为有机物和氧气的进程,保持了地球二氧化碳和氧气的循环,一起,简直为一切的异养有机体直接或直接供给能量。那么天然界是否还遍及存在着其它类型的太阳能搜集和使用体系?这个问题好像鲜有被提及和重视。

  2019年4月22日,北京大学鲁安怀及其协作者在《美国科学院院刊》宣布了最新的研讨成果,首先报导了天然界无机矿藏转化太阳能体系。提醒出太阳光也一向效果于地表矿藏发作能量的吸收与转化现象而发作非经典光协效果。他们发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体外表遍及被一层薄薄的、厚度仅为数十纳米到上百微米不等的“矿藏膜”所掩盖。“矿藏膜”的结构结构与化学成分显着差异于被包覆的岩石或土壤颗粒,富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿藏。这些“矿藏膜”具有显着的可见光光电呼应和安稳、活络的光电转化才能。特别是,“矿藏膜”由富含铁锰(氢氧)氧化物构成并具片层状的空间结构,这与植物叶绿体的类囊体片状垛叠结构构型具有异曲同工之妙。光协效果的光化学反响发作在类囊体膜上具有精巧空间结构的多个色素—蛋白复合体上,光体系II和光体系I的反响中心在天然光能驱动下发作电荷别离,经过一系列电子载体进行有序高效地电子传递,从而将光能转化为化学能。而“矿藏膜”在太阳光能驱动下会激起发作光电子—空穴对,天然环境中贱价态离子与还原性有机质如腐殖质等物质可有用捕获光空穴,别离出光电子继而发作一系列的电子传递进程,相同完结光能到化学能的转化。有意思的是,在光协效果体系与“矿藏膜”的光化学反响中,均离不开金属元素铁锰的参加。在光协效果进程中,水的裂解和氧气开释发作在光体系II富含锰的蛋白复合体上,而铁氧还蛋白是光合电子传递链中非常重要的成员。该研讨发现的岩石外表在模仿日光照耀下发作显着的光电转化信号,恰与“矿藏膜”中富集锰或铁元素的区域相吻合。

  此项发现大大拓宽了咱们对天然界太阳能使用途径的新知道,即天然无机矿藏也存在与有机光协效果适当的太阳能转化使用体系,一起,对研讨光协效果体系的来源和人工光协效果供给了新的视角。

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