Our Narratives 300 px
Cover Image "Dr. Yaniv Shlosberg, Prof. Gadi Schuster, and Prof. Noam Adir from the Technion – Israel Institute of Technology -- Make Clean Energy Possible by Creating a Living “Bio-Solar Cell” with Succulent Plants"

以色列理工学院的Yaniv Shlosberg博士、Gadi Schuster教授和Noam Adir教授用多肉植物开发的活体“生物太阳能电池”，使清洁能源成为可能

Self portrait of Dr. Yaniv Shlosberg, Scientist, Israel, USA by University California, Santa Barbara
Self portrait, Credit: University of California, Santa Barbara

以色列理工学院的Yaniv Shlosberg博士、Gadi Schuster教授和Noam Adir教授用多肉植物开发的活体“生物太阳能电池”，使清洁能源成为可能

科学家们首次能够利用多肉植物 （Corpuscularia lehmannii） 开发了一种依靠光合作用运行的高效“活体生物太阳能电池”。Yaniv Shlosberg博士指出当他在能源计划 （Grand Technion Energy Program，GTEP）攻读博士学位时开发了此方法，他的团队通过使用厚叶片的角质层作为包膜，其内部水溶液作为导电电解质，能够直接从多肉植物中获取电流。

根据最近发表在ACS應用材料與界面杂志的文章表示，研究人员将铁阳极和铂阴极插入单个多肉植物 （Corpuscularia lehmannii）叶片中，发现其电压为0.28V。当连接到电路时，每片叶子能够产生高达20 μA/cm2的无偏置光电流。基于多肉植物的生物电化学电池可以直接产生电力或氢气，储存的气体可在需要时用于氢燃料电池。尽管数量低于传统的太阳能电池，但它们比以前使用其他光合生物的方法要高得多。 Shlosberg博士解释说，虽然获得的功率输出明显低于目前市场上存在的应用能源技术，但这只是一个概念证明。通过进一步开发该系统，使其成为真正具有成本效益的清洁能源技术，可以显着地提高发电量。目前，该系统的开发由Shlosberg博士与加州大学圣巴巴拉分校的Andrea Carlini教授、Nathan Nasseri和Matthew Smith共同进行。

我们很高兴能够采访Yaniv Shlosberg博士，详细了解这项研究以及他未来的研究兴趣

The ice plant succulent shown here can become a living solar cell and power a circuit using photosynthesis. Adapted from ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c15123
The ice plant succulent shown here can become a living solar cell and power a circuit using photosynthesis. Credit: Adapted from ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c15123

问：祝贺你成功地开发了一个依靠光合作用运行的活体”生物太阳能电池”，并将此成果发表于ACS应用材料与界面杂志上。首先，请与我们分享你的教育和研究背景。
答：我从以色列的Bar-Ilan大学毕业并获得了药物化学学士学位，然后在Technion – 以色列理工学院攻读分析化学硕士，在这期间，我开发了细菌鉴定方法。我的博士学位则从事生物电化学研究，专门研究如何从光合生物中获取电能。目前做为加州大学圣巴巴拉分校的博士后研究生，我正在开发新的生物电化学电池，这些电池的来源是由来自不同细胞和生物体（如神经元、水果和海洋动物）所提供的电子。我也是一家初创公司的创始人，该公司致力于开发来自活体的多肉植物和海藻的清洁能源解决方案。

问：请告诉我们这种活体“生物太阳能电池”及其效果如何。
答：生物太阳能电池是利用多肉的叶子来发电。传统的非生物电化学电池是由2个电极所组成，分别称为阳极和阴极，它们被插入导电溶液（电解质）中，而电子源可能来自金属阳极的分解或添加可以在阳极提供电子的分子，系统必须封闭以防止电解液逸出。在我们的生物光电化学电池 (BPEC) 中，多肉叶子的厚角质层是外壳，而内部的水和营养物质则为良好的导电电解质溶液。当阳极和阴极插入叶中，在阳光照射下，叶子内部发生光合作用，产生一种名为NADPH的分子。该分子用作电子源，可以在阳极提供电子，并产生电能。叶子的内部溶液还有其他的电子供体，这些电子供体也可以在黑暗中产生电力，而黑暗中的电力低于光照。

问：这种“生物太阳能电池”与以前依靠光合作用发电的方法有何不同？
答：以前用光合作用所做的实验，大多是使用单细胞生物，如蓝藻或微藻。在这种情况下，生物体是微观的，并且无法插入比生物体大约10,000倍的典型电极。在这些系统中，NADPH或其他能够提供电子的分子必须跨越细胞中存在的许多障碍，从而使发电量显著降低。

还有其他方法，例如试图从浓缩净活性物质的植物叶片中分离出纯光合成分。然而，分离过程可能非常昂贵，产生的电流相对较低，并且不适合应用技术。产生最大电​​力的方法是利用比多肉植物大10倍左右的海藻和海带。然而，种植它们常常会受到法规的限制，而且比种植多肉植物要复杂得多，而多肉植物可以很容易地被大规模种植，无须太费力。

问：为什么植物中的水在将光能转化为化学能方面，很重要？
答：植物中的水溶液可以用作生物电化学电池的天然电解质（这是电化学电池中的重要组成部分）。它能导电，内含的分子能够在阳极提供电子，作为能量源。

问：请告诉我们为什么你的研究偏爱多肉的莱曼红体（Corpuscularia lehmannii）？是否其他具有类似特征的植物也可以用于你的研究？
答：在苗圃，被种植为流行装饰用的多肉植物中，莱曼红体是其一。它可以在恶劣的环境条件下生长，并且叶子很小。这可能是一个优势，因为每片叶子都可以用作生物电化学电池，而且叶子可以相互连接，显著地增加功率输出。然而，能够用于产生生物电的植物，并不仅限于此种植物。几乎任何多肉植物都有此功能。在我目前的研究中，我与我的副研究员Andrea Carlini、Nathan Nasseri和Matthew Smith教授一起研究各种多肉植物的发电能力，试图确定哪种是最好的物种。

问：你曾否设想什么样的未来可以使用到你的技术？例如，生活在太空中？
答：我和我的同事Noam Adir教授和Gadi Schuster教授曾多次讨论过太空生物电的可能性。多肉植物和其他植物可以产生电力和氧气，并成为食物的来源。当听说科学家在太空种植植物的成功案例后，让我觉得我们的想法是可行的。然而，这是一个长期计划。我们的主要目标是在地球上开发清洁能源技术，以帮助应对全球气候变化并取代污染性化石燃料。化石燃料被定义为“正碳”，这意味著它们在燃烧过程中，向大气中排放二氧化碳。当今世界正在向往氢燃料电池等不涉及任何碳排放的“零碳”技术。以光合生物电化学电池为例，我们创造了一个新的类别，“负碳”！我们的方法不是排放二氧化碳，而是通过光合作用，来减少二氧化碳在大气中的数量。我们设想了两种系统： 1. 本地多肉植物，用于为 LED、相机、笔记本电脑或手机等低能耗设备供电或充电。 2. 大面积的多肉植物，会产生大量的电力。

问：你还对哪些其他研究领域感兴趣？
答：我总是对解决人类重大关键问题的科学领域感兴趣。除了对如今由于气候变化而变得非常重要的清洁能源科学外，我也对生物医学设备的开发感兴趣。随著最近全球的流行病毒以及对抗生素耐受性的恐惧，我开始对塑料抗体产生了兴趣。这是一类新型的聚合物成分，未来可能用于病毒和细菌的诊断和靶向。

我也非常热衷于3D打印和生物打印，我预测这将是不久的下一次技术革命。

问：你还有什么想对我们的读者说的吗？
答：我对应对气候变化的解决办法，持乐观态度。全球都在努力发明新的绿色能源技术，我相信许多新技术的结合将能够解决问题并预防未来的灾难。

*****

我们希望Yaniv Shlosberg博士富有洞察力的话语能够激励更多的人去寻找清洁能源解决方案和其他令人兴奋的科学研究，以帮助人类解决难题。