本发明专利技术的光学敏化材料为利用基因工程制备的藻蓝胆素，所述敏化材料敏化TiO2颗粒电极的方式处理半导体电极，而后采用室温抽真空干燥，依赖静电力吸附和氢键相互作用完成电极对敏化材料的吸附，而后组装为染料敏化太阳能电池，敏化半导体电极使之在光照条件下可以直接完成太阳能到电能的转化，实现其作为新型光学敏化材料的功能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物技术及能源领域，具体涉及一种基因重组藻蓝胆素作为光学敏化材料的应用。
技术介绍
煤、石油、天然气等化石燃料相继被广泛开采，并广泛应用于人们的生产和生活之中。随着人们对能源需求的增加，这些人类赖以生存的不可再生能源，带来了日益严峻的能源危机和越来越严重的环境污染。一方面，这些能源是不可再生的。另一方面，这些化石燃料燃烧所产生的大量的二氧化碳气体，会造成温室效应，使全球气候变暖的速度加快。除此之外严重的环境污染，以及由开采导致的生态破坏问题，也同样威胁着人类和其他生物的生存面临全球能源消耗问题，太阳能越来越引起人们利用的兴趣。太阳能是一切能源的根本，也是我们可利用的、最直接最环保的能源。地球上光合作用是大自然进化出来的、高效利用和转化太阳能的装置，是规模最大的光子能量转换成化学能的过程。化石燃料(煤炭、石油和其他生物燃料)的化学能起源于几百万年前的光合作用，它们作为能源的大量开采应用，在地质历史时期的尺度上，瞬时逆转了亿万年的地质和能源演化过程。因此提倡“减少直接燃烧光合作用产物(化石燃料)的燃烧”、和开发“基于光合作用成功理论的新技术”。早在1974年，梅尔文·埃利斯·卡尔文就提出了利用光合作用的机理将光能转换成电能的想法。此模型是基于合成膜上的光电化学电池，在膜内类胡萝卜素起到导线的作用。光量子被附着于膜的一侧的增敏剂分子吸收后，一个电子转移到类胡萝卜素，然后扩散到膜的另一边，被电子受体捕获。植物或微藻光合捕光复合物捕获和传递光能是自然光合作用的起始步骤。相比于高等植物的只含叶绿素的捕光复合物，蓝藻的和红藻的捕光复合物藻胆体的捕获和传递光能的效率接近100％；在叶绿素捕光范围较弱的黄绿光区以及水下弱光环境中的蓝绿光区都有较强的吸收效果。2007年田纳西-诺克斯维尔大学的Lowe等(2007)优化了藻胆体在光电应用中的稳定性。González等(2010)以藻胆体为基础尝试组装成太阳能光伏器件。2010年于道永等用嗜温蓝藻的藻胆体耦合Chlorine6制备了染料敏化太阳能电池，效率达到0.47％；蒲洋等用来自嗜温蓝藻的重组别藻蓝蛋白三聚体(rAPC)作为光敏剂，制备了敏化太阳能电池，效率达到0.26％。虽然其光电效率较低，但是在太阳能发电高峰处，染料敏化太阳能电池(DSSC)可实现生产成本低于每瓦特0.5美元。证实了藻胆蛋白作为光敏材料应用的可行性。例如本申请人的早期专利CN201210330454公开了一种定向重组别藻蓝蛋白三聚体作为光学敏化材料的应用；CN201410471450公开了一种热稳定的光学敏化材料，琦光学敏化材料为嗜热蓝藻天然提取的完整藻胆体。然而无论藻胆蛋白还是藻胆体，都是色素-蛋白复合物，需要在电极表面正确定向组装才能形成良好的光电转换效率，另外，由于蛋白质在电极表面很容易变性，稳定性差等缺点，严重限制了其作为光敏材料的应用。因此染料敏化太阳能电池的许多组件仍需进行优化。我们使用天然色素作为染料敏化太阳能电池中的捕光色素，天然色素在DSSC中作光敏剂可以增强电池的性能和稳定性。分析藻胆蛋白的分子结构可以发现，藻胆蛋白分子中的藻胆色素是藻胆蛋白执行太阳光捕获和荧光发射、以及抗氧化、消炎等生物功能的主要功能基团。藻胆色素分子量仅为587Da，远小于藻胆蛋白的17-20kDa，且藻胆色素仅为小分子化合物，不含有蛋白质部分，因此在电极上的稳定性大大增强，而光谱吸收和荧光性质影响不大。相比于其他人工设计合成的化学敏化剂来讲，藻胆色素作为一种天然色素，还具有成本低廉，环境友好等优点。综合以上分析，根据其高的捕获传递光能的效率、广谱吸收范围和良好的热稳定性，我们尝试将其应用于光电转换器件的光学敏化材料，从而构建基于藻蓝胆素的生物染料敏化太阳能电池(Bio-DSSC)。生物染料敏化太阳能电池具有成本低,制作工艺简单，无毒，环境友好等其他太阳能电池无法媲美的优点。因此其利用价值必定能凸现出来，走向实用化，在当我们面对全球能源危机，重组藻蓝胆素这一敏化材料以期独特高效的光谱吸收和荧光性能必将在能源发电，转换和存储方面具有应用前景。并且在转化太阳能作为新一代的替代能源为人类提供充足的电力和社会可持续发展方面有着广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种低分子量、稳定性较好的光学敏化材料的应用。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种低分子量、热稳定强的光学敏化材料，光学敏化材料为表达藻蓝胆素的大肠杆菌体内提取的重组藻蓝胆素，该藻蓝胆素具有分子量小，化学性质稳定，具有高效的蓝绿光吸收性能及优良的荧光性质。所述的光学敏化材料为从表达藻蓝胆素的大肠杆菌中提取后，经制备型高效液相色谱仪纯化后的藻蓝胆素。藻蓝胆素经冷冻干燥后，溶解于乙醚中，然后即可吸附固定于纳米电极上，制备染料敏化太阳能电池。具体步骤为：(1)以实验室构建保存的菌株(该质粒可由专利CN201010264154.3制备得到，如pETDuet-ho1-pcyA、pET28a-ho1-pcyA、pCDFDuet-ho1-pcyA、pACYCDuet-ho1-pcyA)接种于5mL的LB培养基，37℃，培养12-16h；该步骤进一步优选为：以pET28a-pcyA-hox1质粒(该质粒可以催化大肠杆菌自身的底物，在Hox1和PcyA基因表达的酶催化下，转化为藻蓝胆素)接种于5mL的LB培养基，37℃，培养12-16h；(2)将上述步骤(1)所得到的大肠杆菌种子液按体积比为1％的量接种于1L的TB培养基中(含100ml10×TBsalt)，在37℃培养至OD600＝0.8～1.0后，降温至18℃，利用异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)作为诱导剂进行诱导，避光培养20h，8000g离心收集菌体，置于-80℃冰箱保存；(3)将上述步骤(2)收集到的菌体用甲醇，50℃条件下，悬浮萃取1-2小时，离心分离取上清液即得藻蓝胆素粗提液，将藻蓝胆素粗提液与等体积的氯仿和两倍体积的超纯水混合，萃取出多余的蛋白质，收集有机相液体，并加入含有100μL浓盐酸的10mL超纯水进行破乳，收集下层有机相液体，并用氮气吹干，得到低纯度藻蓝胆素干粉；(4)将(3)中的干粉溶于酸性甲醇(甲醇：浓盐酸＝95％：5％，甲醇使用色谱纯)，然后加入2倍体积的超纯水，使甲醇的终浓度达到30-35％，然后使用0.22μm的尼龙-66滤膜过滤。然后再经制备型HPLC进一步精制，得到高纯度的藻蓝胆素溶液，将藻蓝胆素溶液冷冻干燥或旋转蒸发除去多余水分，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光学敏化材料，其特征在于：光学敏化材料为基因工程大肠杆菌中提取制备的重组藻蓝胆素。
【技术特征摘要】
1.一种光学敏化材料，其特征在于：光学敏化材料为基因工程大肠杆菌中提取制备
的重组藻蓝胆素。
2.按权利要求1所述的光学敏化材料，其特征在于：所述藻蓝胆素为纯化后、置于
乙醚溶液中的藻蓝胆素。
3.按权利要求2所述的光学敏化材料，其特征在于：所述重组藻蓝胆素在电极表面
实现分子自组装吸附。
4.按权利要求1-3所述的光学敏化材料，其特征在于：分子自组装吸附为所述藻蓝
胆素分子通过静电力吸附和氢键相互作用于半导体光阳极表面，完成电极对敏化材料的
吸附，吸附有藻蓝胆素的电极在光照条件下完成太阳能到电能的转化。
5.权利要求1-4所述的光学敏化材料的应用，其特征在于：以提纯的重组藻蓝胆素
作为吸附在半导体光阳极表面的敏化剂。
6.按权利要求5所述的光学敏化材料的应用，其特征在于：所述吸附有藻蓝胆素的
电极，可作为太阳能...
【专利技术属性】
技术研发人员：葛保胜，吝晓君，王祥法，李焰，于道永，黄方，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37
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