High photo-electrochemical activity of thylakoid–carbon nanotube composites for photosynthetic energy conversion

类囊体 光电流 材料科学 碳纳米管 电化学 阳极 电极 电子转移 化学工程 光化学 纳米技术 化学 叶绿体 光电子学 基因 工程类 物理化学 生物化学
作者
Jessica Ong Calkins,Yogeswaran Umasankar,Hugh O’Neill,Ramaraja P. Ramasamy
出处
期刊:Energy and Environmental Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:6 (6): 1891-1891 被引量:203
标识
DOI:10.1039/c3ee40634b
摘要

Spinach thylakoids were immobilized onto multiwalled carbon nanotubes using a molecular tethering chemistry. The resulting thylakoid–carbon nanotube composites showed high photo-electrochemical activity under illumination. Multiple membrane proteins have been observed to participate in direct electron transfer with the electrode, resulting in the generation of photocurrents, the first of its kind reported for natural photosynthetic systems. Upon inclusion of a mediator, the photo-activity was enhanced. The major contributor to the photocurrent was the light-induced water oxidation reaction at the photosystem II complex. The thylakoid–MWNT composite electrode yielded a maximum current density of 68 μA cm−2 and a steady state current density of 38 μA cm−2, which are two orders of magnitude larger than previously reported for similar systems. The high electrochemical activity of the thylakoid–MWNT composites has significant implications for both photosynthetic energy conversion and photofuel production applications. A fuel cell type photosynthetic electrochemical cell developed using a thylakoid–MWNT composite anode and laccase cathode produced a maximum power density of 5.3 μW cm−2, comparable to that of enzymatic fuel cells. The carbon based nanostructured electrode has the potential to serve as an excellent immobilization support for photosynthetic electrochemistry based on the molecular tethering approach as demonstrated in this work.
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