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Apr 27, 2024

Charakterisierung, Stabilität und Machbarkeit von Long

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 13518 (2022) Diesen Artikel zitieren 1240 Zugriffe 1 Zitate 4 Altmetrische Metrikdetails In der vorliegenden Arbeit wurden die photogalvanischen Zellen mit untersucht

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13518 (2022) Diesen Artikel zitieren

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4 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In der vorliegenden Arbeit wurden die photogalvanischen Zellen im Hinblick auf die Photostabilität und die langfristige Verwendung des Elektrolyten auf der Basis von rohem wässrigem Spinatextrakt-Sensibilisator für die Solarenergiegewinnung untersucht. Darüber hinaus wurde die Art der im alten und durch Licht zerfallenen Elektrolyten vorhandenen chemischen Komponenten und deren Stromerzeugungskapazität bisher ebenfalls nicht untersucht, da sie ansonsten für die dauerhafte Verwendung desselben Elektrolyten in Zellen von großer Bedeutung sind. In früheren Studien wurde die stationäre Photoerzeugung von Strom für etwa zwei Stunden aus rohen Spinatextrakt-basierten Zellen während der Beleuchtung gezeigt. Allerdings reichen die Daten für nur zwei Stunden der stationären Stromerzeugung nicht aus, um die Machbarkeit des Arbeitens mit photogalvanischen Zellen zu zeigen. Um diese Forschungslücke zu schließen, die auf der mangelnden Charakterisierung der Sensibilisatormoleküle des Rohspinatextrakts und dem Mangel an Studien zur Langzeitverwendung dieses Elektrolyten (Rohspinatextrakt-Tensid-Reduktionsmittel-Alkali-Wasser) beruht, wurde die vorliegende umfangreiche Studie durchgeführt getan. Das beobachtete Spektrum des rohen Spinatextrakts ähnelt dem des Chlorophyll-Protein-Komplexes, was zeigt, dass es die wichtigste chemische Komponente im Extrakt ist, die Licht absorbiert. Eine starke Säure beeinträchtigt die Photogalvanik des Extrakts und ein hoher pH-Wert wirkt sich positiv auf die physiologische und photogalvanische Aktivität des Extrakts aus. Die Spektren der beleuchteten und sehr alten rohen Spinatextrakt-NaOH-Natriumlaurylsulfat (NaLS)-Fructose-Photogalvanik-Elektrolytlösung zeigen eine vernachlässigbare Absorption (540–700 nm) und eine Absorption von Null (bei 700 nm), was aufgrund ihres Fotos auf das Fehlen von Chlorophyll hindeutet -Degradierung. Wenn dieser photodegradierte Elektrolyt erneut beleuchtet wird, ist die erzielte Leistungsabgabe nahezu gleich der Leistung, die beim ersten Beleuchten des frischen Elektrolyten erzielt wurde. Der beobachtete Strom zum Nullzeitpunkt und nach 2641 Stunden bei demselben Elektrolyten, der langfristig verwendet wird, beträgt 50 mA cm-2 bzw. 40 mA cm-2. Dies bedeutet, dass der frische Rohspinatextrakt sowie der bei hohem pH-Wert photoabbaute Extrakt nahezu gleichermaßen zur Stromerzeugung geeignet sind.

Ein photogalvanisches Zellengerät wandelt Sonnenenergie in Solarstrom um. Eine fotogalvanische Zelle besteht aus zwei Elektroden, die in die Elektrolytlösung auf Fotosensibilisator- und Reduktionsmittelbasis getaucht werden1,2,3,4. Alle vielversprechenden Solarzellengeräte5,6,7 einschließlich der fotogalvanischen Zellen müssen nachhaltig und langlebig im Gebrauch sein. Die Nachhaltigkeit und Haltbarkeit der photogalvanischen Zellen ist von besonderer Bedeutung, da Photosensibilisatormoleküle anfällig für Photozerfall sind. Die Charakterisierung, Stabilität und Durchführbarkeit der Langzeitverwendung lichtabsorbierender chemischer Komponenten des Elektrolyten aus rohem wässrigem Spinatextrakt ist von größter Bedeutung, wurde jedoch in der Photogalvanik noch nicht wissenschaftlich untersucht. Photogalvaniker haben sich hauptsächlich auf die Verwendung von künstlichen/synthetischen Farbstoff-Photosensibilisatoren, synthetischen Reduktionsmitteln, synthetischen Tensiden und synthetischen Alkali-/Pufferlösungen konzentriert, um den Elektrolyten für die Solarenergiegewinnung durch die photogalvanischen Zellen zu bilden. Einige der berichteten chemischen Systeme aus synthetischem Sensibilisator und synthetischem Reduktionsmittel sind Thionin-Farbstoff-Sensibilisator-Eisen-Reduktionsmittel8, ​​Rhodamin-B-Farbstoff-Fruktose-Reduktionsmittel9, Sudan-I-Farbstoff-Fruktose-Reduktionsmittel10, Bromphenolrot-Farbstoff-EDTA-Reduktionsmittel11, Safranin-O-EDTA-Reduktionsmittel12 und Toluidinblau Farbstoff-Glucose-Reduktionsmittel13, Toluidinblau-Farbstoff-Fe(II)-Reduktionsmittel14 und Kongorot-Farbstoff-Formaldehyd-Reduktionsmittel15.

Die Verwendung synthetischer Farbstoffsensibilisatoren widerspricht dem ultimativen Ziel der Nachhaltigkeit und Erneuerbarkeit der Solarenergiegewinnung. Darüber hinaus ist die Charakterisierung von Photozerfallsprodukten von Farbstoffsensibilisatormolekülen, aus denen der Elektrolyt besteht, und ihre Bedeutung für die Stromerzeugung durch die Zelle ebenfalls der Aufmerksamkeit der Forscher entgangen. Allerdings wurden einige Studien zur Nutzung nachhaltiger, erneuerbarer und natürlicher Ressourcen (wie Spinatextrakt) für die Solarenergiegewinnung durch photogalvanische Zellen veröffentlicht16,17. Photogalvanische Zellen auf Basis von rohem wässrigem Spinatextrakt-Sensibilisator (eine nachhaltige, erneuerbare und natürliche Ressource), Natriumlaurylsulfat (NaLS)-Tensid, Fructose-Reduktionsmittel und NaOH-Alkalielektrolyt wurden für die Umwandlung und Speicherung von Solarenergie bei niedriger16 und hoher Beleuchtung untersucht und beschrieben Intensität17. Die Charakterisierung der im rohen wässrigen Spinatextrakt vorhandenen lichtabsorbierenden Materialien wurde in diesen Studien jedoch nicht durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Art der im alten und durch Licht zerfallenen Elektrolyten vorhandenen chemischen Komponenten und ihre Stromerzeugungskapazität ebenfalls nicht untersucht, da sie ansonsten für die dauerhafte Verwendung desselben Elektrolyten in der Zelle von großer Bedeutung sind. Allerdings wurde während der Beleuchtung eine stationäre Photoerzeugung von Strom für etwa zwei Stunden aus einer auf rohem Spinatextrakt basierenden Zelle gezeigt. Die Daten einer nur zweistündigen stationären Stromerzeugung reichen jedoch nicht aus, um die Machbarkeit des Betriebs photogalvanischer Zellen zu zeigen. Um diese Forschungslücke zu schließen, die auf der mangelnden Charakterisierung der Sensibilisatormoleküle des Rohspinatextrakts und dem Mangel an Studien zur Langzeitverwendung dieses Elektrolyten (Rohspinatextrakt-Tensid-Reduktionsmittel-Alkali-Wasser) beruht, wurde die vorliegende umfangreiche Studie durchgeführt getan.

In der vorliegenden Studie wurde der im rohen wässrigen Spinatextrakt enthaltene Sensibilisator durch UV-sichtbare spektroskopische Untersuchungen charakterisiert. Darüber hinaus wurden die Veränderungen, die in den spektralen Eigenschaften dieses Sensibilisators unter dem Einfluss von NaOH-Alkali, HCl-Säure, NaLS-Tensid, Fructose-Reduktionsmittel, Photobeleuchtung und der Zeitdauer auftreten, ebenfalls spektroskopisch untersucht. Die Eignung eines hohen pH-Werts und die Ungeeignetheit eines niedrigen pH-Werts für eine bessere Solarzelleneffizienz wurde auch durch Einblicke in Veränderungen im Elektrolyten demonstriert. Die Machbarkeit der langfristigen Nutzung desselben Elektrolyten aus rohem Spinatextrakt für die Gewinnung von Solarenergie wurde ebenfalls über mehr als 2500 Stunden nachgewiesen.

In der vorliegenden Studie wurden roher wässriger Extrakt der Spinatblätter zusammen mit Fructose (99,8 % Testreinheit), Natriumlaurylsulfat-NaLS (mindestens 94 % Testreinheit) und NaOH (98 % Testreinheit) verwendet. Die Stammlösungen aller Chemikalien wurden durch direktes Abwiegen und Auflösen in einfach destilliertem Wasser hergestellt und die Lösungen wurden im Dunkeln aufbewahrt, um sie vor Licht zu schützen16,17.

Die Autoren haben den frischen Extrakt aus Spinatblättern hergestellt. Der Autor hat Spinatblätter als Quelle für den natürlichen Photosensibilisator verwendet, da Spinatblätter im Vergleich zu anderen grünen Blättern einige Besonderheiten aufweisen. Einige der besonderen Eigenschaften des Spinats sind: (i) frischer Spinat ist eine praktische Quelle für Chlorophyll „a“ und „b“. Chlorophyll „a“ ist das dominierende Lichtsammelmaterial unter allen Pigmenten, die im rohen wässrigen Extrakt des Spinatblatts vorkommen; (ii) Es wurde festgestellt, dass Spinat am reichsten an Chlorophyll ist. Die Studie zum Chlorophyllgehalt einiger roher Gemüsesorten ergab, dass roher Spinat den höchsten Chlorophyllgehalt (mg kg−1 Frischgewicht) aufweist18, also in der Größenordnung von 1270. Der gemeldete Chlorophyllgehalt (mg kg−1 Frischgewicht) von Green Bohnen, Rosenkohl, Brokkoli, Petersilie, Gurken, grüne Erbsen, Lauch, grüner Paprika, Zucchini, Sellerie liegen in der Größenordnung von 71–133, 60, 128, 995, 36, 50, 87, 38, 68 und 34. jeweils18,19; (iii) Spinatextrakt, der natürlichen Farbstoff enthält, ist ein üblicher natürlicher Sensibilisator. Der aus Spinat gewonnene Farbstoff hat sich in DSSC-Studien als robuster natürlicher Farbstoff erwiesen20; und (iv) Spinat ist ein Biomaterial, das das ganze Jahr über weit verbreitet ist.

Die im Spinatextrakt enthaltenen natürlichen Photosensibilisatoren wurden für die Verwendung nicht getrennt, sondern es wurde der Extrakt als solcher verwendet. Wässriger Spinatextrakt wurde durch ein Verfahren gewonnen, bei dem (i) zunächst die frischen Spinatblätter mit Wasser gewaschen werden, (ii) die gewaschenen und feuchten Blätter (50 g) in Gegenwart von etwas Wasser (10 ml) zerkleinert werden. (iii) dann wird das zerkleinerte Material mit einem gewöhnlichen Filterpapier filtriert, (iv) das Filtrat wird einige Zeit lang ungestört gelassen, um die Sedimentation von faserigen und anderen Stoffen zu ermöglichen, und (v) die transparente Flüssigkeit über dem Sediment wird entfernt Wird als wässriger Spinatextrakt zur Photosensibilisierung der Lösung in einer photogalvanischen Zelle verwendet16,17.

Roher Spinatextrakt als natürlicher Photosensibilisator wird auch häufig in farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) verwendet. Allerdings ist die Effizienz der auf rohem Chlorophyllextrakt basierenden DSSC-Zelle sehr gering, da sich Chlorophyll „a“ nicht an die Halbleiterelektrode binden kann. Die mit NaOH hydrolysierten DSSC-Zellen auf der Basis von rohem Chlorophyllextrakt zeigen jedoch eine verbesserte Effizienz21. Bei der Hydrolyse des rohen Chlorophyllextrakts unterliegt die Esterbindung der Chlorophyllmoleküle einer chemischen Veränderung unter Bildung von –COOH- und –OH-Gruppen, die die Bindung an die Halbleiterelektrode erleichtern und so zu einer verbesserten Effizienz führen. Was die Photogalvanik des rohen Chlorophyllextrakts betrifft, ist die Verankerung des Chlorophyllmoleküls mit der Arbeitselektrode nicht erforderlich. Darüber hinaus verwenden die photogalvanischen Zellen NaOH. All diese Faktoren machen Chlorophyll noch effizienter für die Lichtgewinnung durch die photogalvanischen Zellen.

UV-sichtbare Spektren wurden manuell mit einem Einstrahl-UV-sichtbaren Spektrophotometer 108 (Systronics, Ahmedabad, Indien) aufgenommen. Die verwendeten Küvettenzellen (Optiglass Ltd., UK) haben eine Transmission von 82,3 % (bei 200 nm), 84,3 % (bei 220 nm) und 85 % (bei 85 nm). Mit diesem Spektrophotometer beträgt die Genauigkeit der Bandpositionen im beobachteten Bereich ± 0,5 nm. Die Proben wurden manuell gescannt, indem der prozentuale Transmissionsgrad (Absorptionsgrad) bei verschiedenen Wellenlängen notiert wurde. UV-sichtbare Spektren wurden manuell zwischen der Absorption (auf der „Y“-Achse) und der absorbierten Wellenlänge in nm (auf der „X“-Achse) gezeichnet. Frischer Spinat ist eine praktische Quelle für Chlorophyll a und b. Die Absorptionsbande des Chlorophylls „a“ liegt in Diethylether bei 660 nm (im roten Bereich) und 430 nm (im blauen Bereich). Die Absorptionsbande von Chlorophyll-b liegt in Diethylether bei 650 nm (im roten Bereich) und 453 nm (im blauen Bereich). Unter den vorliegenden Versuchsbedingungen wurden die Absorptionsbanden von rohem Spinatextrakt bei 680 nm (im roten Bereich) und 440 nm (im blauen Bereich) beobachtet. Chlorophyll absorbiert Strahlung fast über den gesamten Bereich, insbesondere im Blauviolett (470 nm) und Rot (650–700 nm)16,17.

Die Reproduzierbarkeit des im Manuskript beschriebenen Phänomens wurde auf zwei Arten überprüft: erstens durch Vergleich der spektralen Ergebnisse der vorliegenden Studie mit bereits veröffentlichten Arbeiten und zweitens durch Wiederholung der Beobachtungen der elektrischen Leistung desselben Elektrolyten durch Wiederaufladung zu unterschiedlicher Zeit.

Der Autor erklärt, dass für die vorliegende experimentelle Forschung essbares Pflanzenmaterial (auf dem freien Markt erhältliche Spinatblätter) verwendet wurde. Aktuelles experimentelles Forschungspflanzenmaterial entspricht den relevanten institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen.

Es wurde festgestellt, dass die Spektren von rohem wässrigem Spinatextrakt denen von intaktem Chloroplasten ähneln, außer im UV-Bereich. Die Spektren intakter Chloroplasten haben zwei Absorptionsmaxima bei 678,5 nm (Q-Bande; A0,875) und 437 nm (Soret-Bande mit A1,8)22,23,24.

Das UV-sichtbare Spektrum von rohem Spinatextrakt zeigt zwei Hauptabsorptionsbanden bei 680 nm (A0,63) und 440 nm (A1,65) im sichtbaren Bereich mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg der Absorption zu kürzeren Wellenlängen hin und einer starken Absorption ohne beliebige Maxima im UV-Bereich16 (Abb. 1, Kurvenlinie 1; ergänzende Abbildung S1; ergänzende Tabelle S1). Das Absorptionsspektrum des rohen wässrigen Spinatextrakts, der eine Mischung aus Chlorophyll „a“ und „b“ sowie Carotinoiden enthält (siehe Abschnitt 1 des Ergänzungsabschnitts-SI), wird im sichtbaren Bereich von der Absorption von Chlorophyll „a“ dominiert ' (erlaubte π → π*-Übergänge). Das Chlorophyll „b“ und die Carotinoide absorbieren breit im blauen Bereich (400–500 nm). Die Bande bei 440 nm ist möglicherweise nicht nur auf die Chlorophylle „a“ und „b“, sondern auch auf die Carotinoide zurückzuführen25.

(1) UV-sichtbare Spektren von reinem wässrigen Spinatextrakt16 [Kurvenlinie 1, Hauptspektraleigenschaft: Absorption (A) nimmt kontinuierlich zu kürzeren Wellenlängen zu, Banden bei 680 nm (A0.63) und 440 nm (A1.65)]; (2) UV-sichtbare Spektren, die die Wirkung von NaLS und Fruktose auf die Spektren von wässrigem Spinatextrakt zeigen [Kurvenlinie 2, Hauptspektraleigenschaft: Absorption, die leicht, aber kontinuierlich zu kürzeren Wellenlängen hin zunimmt, Banden bei 680 nm (A0,36), 420 nm (A0,94), 340 nm (A1,22), Schulterband bei 480 nm (A0,55)]; (3) UV-sichtbare Spektren, die die Wirkung von alkalischem NaOH auf die Spektren von Spinatextrakt mit NaLS und Fruktose zeigen [Kurvenlinie 3, Hauptspektraleigenschaft: Absorption, die zur kürzeren Wellenlänge hin leicht, aber kontinuierlich zunimmt, Banden bei 680 nm (A0,36). ), 420 nm (A0.94), 340 nm (A1.22), Schulterband bei 480 nm (A0.55)]; und (4) UV-sichtbare Spektren, die die Wirkung von HCl auf die Spektren von Spinatextrakt mit NaLS und Fruktose zeigen [Kurvenlinie 4, Hauptspektraleigenschaft: Absorption, die leicht, aber kontinuierlich zu kürzeren λ-Banden hin zunimmt, bei 660 nm (A0.39), 420 nm (A1.22), 320 nm (A1.13) und Schulterband bei 280 nm (A1.43)].

Die Aufnahme von rohem Spinatextrakt unterscheidet sich geringfügig von der von reinen Chlorophyllen. Die Absorptionsmaxima für reines Chlorophyll „a“ werden bei 660 nm und 430 nm mit einem Intensitätsverhältnis von nahezu 1,3 (A430/A660) in Etherlösungsmittel angegeben, und Absorptionsmaxima für reines Chlorophyll „b“ in Etherlösungsmittel werden bei 650 nm und 453 nm angegeben nm mit einem Intensitätsverhältnis von fast 3–4 (A453/A650), das die 650-nm-Bande von Chlorophyll „b“ zeigt, ist sehr schwach26.

Lin und Shi haben außerdem über ein sattelförmiges Spektrum mit zwei Peaks bei 415 nm (Soret- oder „B“-Band) und 664 nm (Q-Band) für Chlorophyll berichtet27. Die Spektren von Chlorophyllen wurden mit Hilfe der Huckelschen Regel, π-π*-Übergängen und dem Gouterman-Modell (Vier-Orbital-Modell) erklärt. Der Porphyrinring des Chlorophylls ist eine aromatische Ringstruktur mit 18 konjugiert angeordneten π-Elektronen. Das Gouterman-Modell führt den Ursprung des Soret-Bandes auf einen π-π* starken elektronischen Übergang in den zweiten angeregten Zustand und den Ursprung des Q-Bandes auf einen π-π* schwachen elektronischen Übergang in den zweiten angeregten Zustand zurück. Ein Vier-Orbital-Modell wurde vorgeschlagen, um die UV-sichtbaren Absorptionsspektren der Porphyrinringe durch die Elektronenübergänge vom höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) zum niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) zu erklären. Die Art der zentralen Metallionen und der Substituenten, aus denen dieser Ring besteht, beeinflusst die Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO und damit auch seine Absorptionsspektren28. Die Position und Intensität der Absorption im sichtbaren Bereich unterscheidet sich bei rohem Spinatextrakt von reinen Chlorophyllen hauptsächlich in zweierlei Hinsicht:

Erstens sind die Banden des rohen Spinatextrakts aufgrund (a) der hohen Polarität des Mediums und (b) der Wechselwirkungen zwischen Pigment und Chloroplastenprotein rotverschoben, da Chlorophylle durch echte chemische Bindung bzw. lose Bindung mit Chloroplastenprotein und Carotinoiden verbunden sind25,29 . Das Chlorophyll ist im rohen wässrigen Spinatextrakt weder frei noch kann es frei sein, da reines Chlorophyll in wässrigem Medium unlöslich ist.

Zweitens ist die Absorptionsintensität von rohem Spinatextrakt höher (mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg zu kürzeren Wellenlängen hin) als die von reinem Chlorophyll.

Dies kann auf Trübungen und Schwebstoffe im rohen Spinatextrakt zurückzuführen sein, da der Chlorophyll-Protein-Komplex des Spinatblatts nicht in echter Lösung vorliegt (er ist opaleszierend). Die Trübung und Lichtstreuung führt zu einer höheren Absorption zwischen 400 und 800 nm mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg der Absorption zu kürzeren Wellenlängen hin. Trübung führt zu einer höheren Absorption der Pigmente. Die Trübung kann durch Messung der Absorption bei 750 nm und 520 nm überprüft werden. Für einen vollständig transparenten Blattpigmentextrakt sollte die Absorption bei 750 gleich Null sein, da Chlorophyll „a“ (350–700 nm), Chlorophyll „b“ und Carotinoide in diesem Bereich nicht absorbieren25. In der vorliegenden Studie deutet die Absorption bei 750 nm und darüber auf das Vorhandensein einer Trübung im rohen Spinatextrakt hin.

Eine weitere Absorptionsbande im sichtbaren Bereich bei 560 nm (A0,64) wurde auch für rohen Spinatextrakt beobachtet (Abb. 1, Kurvenlinie 1). Diese Bande kann auf den Chlorophyll-„a“-Proteinkomplex zurückzuführen sein (eine kleinere Bande nahe 560 nm wurde auch für Chlorophyll „a“ gemeldet), verstärkt durch Absorption aufgrund anderer Chemikalien wie Vt. B2 (λmax nahe 565 nm) und B12 (eine Bande). nahe 550 nm)] im rohen Spinatextrakt vorhanden.

Chlorophylle sind keine effizienten UV-Absorber, können aber dennoch UV-Strahlung absorbieren, insbesondere um 350 nm30. Für Chlorophylle wird keine Absorption unter 350 nm berichtet. Die starke Absorption im UV-Bereich [260 nm (A3), 280 nm (A3), 300 nm (A2.04), 320 nm (A1.67), 340 nm (A1.56)] kann auf das zulässige π → zurückzuführen sein π*-Absorption durch Chemikalien (Vitamine wie A1, A2, B1, B12, E; außer Vt.B2; Alkaloide wie Niacin; Säuren wie Oxalsäure, Omega-3-Fettsäuren, p-Cumarsäure; Proteine ​​usw.) vorhanden in rohem Spinatextrakt (Abschnitt 1 der SI). Die Ansicht der Autoren basiert auf der Tatsache, dass der λmax dieser Chemikalien im UV-Bereich liegt.

Das elektronische Absorptionsspektrum des rohen Spinatextrakts wird durch die Absorption vom Typ „a“ des Chlorophylls dominiert. Dieses Spektrum des Rohextrakts hat extreme Ähnlichkeit mit den Spektren des Chlorophyll-Protein-Komplexes (intakter Chloroplast) (Abb. 1, Kurvenlinie 1). Daher kann gefolgert werden, dass der Chlorophyll-Protein-Komplex-Chromophor die Hauptchemikalie im Elektrolyten (mit dem rohen Spinatextrakt) ist, der für die Lichtabsorption durch Photoanregung im sichtbaren Bereich verantwortlich ist. Einige andere chemische Komponenten [z. B. Carotinoide (λmax nahe 450 nm), Vt.B2, Vt.B12] des Elektrolyten (der den rohen Spinatextrakt enthält) können ebenfalls eine Rolle bei der Lichtabsorption spielen und die Absorption des sichtbaren Lichts verstärken das Chlorophyll-Protein-Komplex-Chromophor17 (Abschnitt 2 von SI).

Es wird angenommen, dass im rohen Spinatextrakt das Chlorophyll „b“ und die Carotinoide einschließlich anderer akzessorischer Pigmente absorbierte Energie auf das Chlorophyll „a“-Molekül übertragen31,32,33. Es wird berichtet, dass Chemikalien wie Carotinoide und Phycobiline die Photosynthese sensibilisieren34. Der im Rohextrakt enthaltene Chlorophyll-Protein-Komplex ist die Hauptkomponente, die das Licht sammelt. Chlorophyll kann über seine in Ring- und Seitenketten vorhandenen Ring-E- und Ketogruppen auch als Elektronendonor fungieren35.

In Gegenwart von NaLS und Fructose zeigt der rohe Spinatextrakt eine Absorption bei 680 nm (Q-Bande mit A0,36), 420 nm (Soret-Bande mit A0,94), 340 nm (A1,22) und einer Schulter an der Bande 480 nm (A0.55), mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg zu kürzeren Wellenlängen (Abb. 1, Kurvenlinie 2; Ergänzende Abb. S1; Ergänzende Tabelle S1, Abschnitt 3 von SI). Es gibt eine hypochrome Verschiebung der Absorption im Q-Band, im Soret-Band und bei allen Wellenlängen im Vergleich zu reinem Rohspinatextrakt (Abb. 1, Kurvenlinie 1). Die reine wässrige NaLS-Lösung allein zeigt Absorption im UV-Bereich bei λmax 260 nm (Amax 0,04). NaLS verursacht Blauverschiebungen der 280-nm-Bande (die im Allgemeinen für jedes Protein und jede Aminosäure beobachtet werden) aufgrund von Konformationsänderungen durch Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen. Diese Absorptionsänderung kann verschiedene Ursachen haben25,29,36,37,38 wie die durch NaLS induzierte Entfernung der starken Chlorophyll-Chlorophyll-Wechselwirkung und Phäophytinisierung in Verbindung mit Konformationsänderungen im Proteinteil des Chlorophyllkomplexes (Abschnitt 4 der SI).

Es wird berichtet, dass Reduktionsmittel die Löslichkeit und Stabilität von Proteinen begünstigen, indem sie deren Denaturierung beeinträchtigen39. Es wird berichtet, dass, wenn Moleküle vorhanden sind, die als Oxidationsmittel oder Reduktionsmittel wirken können, die Energie der Anregung wie folgt für die Übertragung eines Elektrons durch Oxidation/Reduktion von Chlorophyll aufgewendet werden kann24:

Die Reaktionen laufen viel schneller ab, wenn sie nicht mit einem Protonentransfer gekoppelt sind. Ein weiterer möglicher Prozess ist der Elektronenausstoß as40, Chl + Licht → Chl.+ + e−.

Es wird berichtet, dass die Reoxidation von reduziertem Chlorophyll durch Carotinoid, Tetracen und Anthracen gehemmt wird41.

In Gegenwart von NaOH (pH 13,71 mit NaLS und Fruktose) zeigt der rohe Spinatextrakt eine Absorption bei 680 nm (A0,20), 640 nm (A0,28), 420 nm (Soret-Bande, A1,18) und 300 nm (A1.52) und eine Schulter bei Band 340 nm (A0.97), mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg zu kürzeren Wellenlängen (Abb. 1, Kurvenlinie 3; Ergänzende Abb. S1; Ergänzende Tabelle S1).

Es gibt eine hyperchrom verschobene Soret-Bande, eine hyperchrom und hypsochrom verschobene Bande bei 300 nm und eine hypochrom verschobene Q-Bande bei 680 nm mit einer zusätzlichen Bande bei 640 nm im Vergleich zu den Rohölspektren NaLS-haltiger Spinatextrakt mit Fruktose (Abb. 3, Kurvenlinie 2). Es gibt eine hypochrome und hypsochrome verschobene Soret-Bande, eine hypochrome verschobene Q-Bande bei 680 nm mit einer zusätzlichen Bande bei 640 nm im Q-Band-Bereich, eine zusätzliche Bande bei 300 nm und ein zusätzliches Schulterband bei 340 nm (A0,97) im Vergleich zu den Spektren von reinem Rohspinatextrakt (Abb. 1, Kurvenlinie 1). Im Vergleich zu den Spektren von reinem Rohspinatextrakt sind die Banden in NaOH breit und weniger intensiv. Diese Änderung im Absorptionsspektrum kann auf die verseifende25, solubilisierende25,42, denaturisierende25 und enolisierende43,44,45 Wirkung von NaOH auf den Chlorophyll-Protein-Komplex zurückzuführen sein (Abschnitt 5 der SI).

Bei der Denaturierung ist zu erwähnen, dass sich lediglich die Sekundär- und Tertiärstruktur des Proteins verändert. Primärstruktur und Porphyrinstruktur sollen intakt sein25. Es wird berichtet, dass die Hydrolyse beider Chlorophylle mit kalter verdünnter Alkalilösung (KOH) ein Molekül Phytol, ein Molekül Methanol und ein Molekül Chlorophyllid „a“ oder Chlorophyllid „b“ ergibt46.

Das Spektrum von Chlorophyll „a“ weist in Abwesenheit von NaOH eine höhere Absorption und scharfe Peaks auf. Die tiefgreifende Veränderung im Spektrum bei Herstellung des Phasentest-Zwischenprodukts legt nahe, dass seine negative Ladung nicht auf den Sauerstoff des Enolat-Ions beschränkt ist, sondern über das gesamte konjugierte System verteilt ist24,43. In dieser Struktur bildet das konjugierte System keine geschlossene Schleife mehr und ein verändertes Spektrum ist zu erwarten47.

In Gegenwart von HCl (pH 0,29 mit NaLS und Fruktose) zeigt der rohe Spinatextrakt eine Absorption bei 660 nm (Q-Band, A0.39), 420 nm (Soret-Band, A1.22), 320 nm (A1.13). und ein Schulterband nahe 280 nm (A1.43), mit einem leichten, aber kontinuierlichen Anstieg zu kürzeren Wellenlängen (Abb. 1, Kurvenlinie 4; Ergänzende Abb. S1; Ergänzende Tabelle S1).

Es gibt eine hypochrome und hypsochrome verschobene Soret-Bande bei 420 nm, eine hypochrome und hypsochrome verschobene Q-Bande bei 660 nm, eine zusätzliche Bande bei 320 nm und eine Schulterbande bei 280 nm (A1.43). ) im Vergleich zu Spektren von reinem Rohspinatextrakt (Abb. 1, Kurvenlinie 1).

Es gibt eine hyperchromisch verschobene Soret-Bande, eine hypochrome und hypsochrome verschobene Bande bei 320 nm und eine hyperchrome und hypsochrome verschobene Q-Bande bei 660 nm mit einer zusätzlichen Schulter nahe 280 nm im Vergleich dazu Spektren von rohem Spinatextrakt, der NaLS mit Fruktose enthält (Abb. 1, Kurvenlinie 2). Diese Änderung im Absorptionsspektrum kann auf Phäophytinisierung, Denaturierung und Hydrolyse des Chlorophyll-Protein-Komplexes in saurem Medium zurückzuführen sein (Abschnitt 6 der SI).

Ein UV-sichtbares Spektrum, das unmittelbar nach der ersten Beleuchtung der photogalvanischen Lösung aufgenommen wurde, ähnelt nahezu den Spektren vor der Beleuchtung in alkalischem Medium. Die Spektren nach der Beleuchtung von rohem Spinatextrakt in alkalischem Medium in Gegenwart von NaLS und Fruktose enthalten hypochrom verschobene breite Banden im sichtbaren Bereich (Abb. 2, Kurvenlinie 5) im Vergleich zu den Spektren vor der Beleuchtung derselben photogalvanischen Lösung ( Abb. 1, Kurvenlinie 2). Im UV-Bereich sind die Spektren vor und nach der Beleuchtung für rohen Spinatextrakt nahezu gleich, außer bei 260 nm und 280 nm.

Auswirkung der Beleuchtung auf die Spektren des Extrakts in Gegenwart von NaOH, NaLS und Fruktose [Kurvenlinie 5, Hauptspektraleigenschaft: Unmittelbar nach der Beleuchtung wurde ein Spektrum aufgenommen. Absorption leicht, aber zum kürzeren λ hin kontinuierlich ansteigend, breite Bande bei 420 nm (A0.75), sehr breite Bande 640 nm (A0.122), Schulterband bei 480 nm (A0.37)].

Nach der Beleuchtung werden die Absorptionsbanden im Vergleich zu den Banden von reinem rohem Spinatextrakt (Abb. 1, Kurvenlinie 1) und Extrakt mit NaOH (Abb. 1, Kurvenlinie 1) aufgrund der Photobleichung breiter und weniger intensiv Das Chlorophyll und das Photon verursachten Veränderungen im Proteinanteil48,49. Ein Spektrum nach der Beleuchtung von rohem Spinatextrakt mit NaOH, NaLS und Fruktose unterscheidet sich nur geringfügig von dem für Spektren vor der Beleuchtung derselben photogalvanischen Lösung (Abschnitt 7 der SI). Gründe hierfür können die Stabilität von Chlorophyll gegenüber hohen Lichtintensitäten über lange Zeiträume in den wässrigen Extrakten25, kein Bleichen von Chlorophyllen in Abwesenheit organischer Lösungsmittel50, stabile reduzierte Semichinone der Pigmente51,52 und Reversibilität als Reoxidation von reduziertem Chlorophyll53,54,55 sein ,56,57,58,59,60,61,62,63.

Die Spektren nach der Beleuchtung von rohem Spinatextrakt in alkalischem Medium in Gegenwart von NaLS und Fruktose ähnelten nahezu den Spektren vor der Beleuchtung derselben Lösung. Diese bereits beleuchtete photogalvanische Elektrolytlösung wurde am 24. Tag der Herstellung des Elektrolyten erneut beleuchtet, und dann wurden ihre UV-sichtbaren Spektren am 33. Tag aufgenommen.

Die Spektren von rohem Spinatextrakt (vorhanden mit NaOH, NaLS, Fruktose in der photogalvanischen Zelle) zeigen nach fast einem Monat und zweimaliger Beleuchtung eine Absorption von Null bei 700 nm und höheren Wellenlängen (Abb. 3, Kurvenlinie 6), was auf das Fehlen von Trübungen schließen lässt Schwebstoffe. Die Absorption von 540 bis 700 nm ist ebenfalls vernachlässigbar, was darauf hindeutet, dass in der so alten und beleuchteten photogalvanischen Elektrolytlösung kein Chlorophyll, Phaeophtin usw. vorhanden ist. Dies bedeutet, dass diese Moleküle durch UV- und sichtbares Licht irreversibel photozersetzt wurden (unter Einhaltung einer Kinetik erster Ordnung) in unbekannte einfachere Moleküle64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76 . Wenn diese durch Licht abgebaute Lösung erneut beleuchtet wird, ist die erhaltene Leistungsabgabe nahezu gleich der Leistung, die beim erstmaligen Beleuchten von frischem, rohem Spinatextrakt mit NaOH, NaLS und Fruktose erzielt wurde (Tabelle 1, Ergänzungstabelle S2). Das bedeutet, dass sowohl der frische Rohspinatextrakt als auch der durch Licht abgebaute, NaOH-haltige Extrakt nahezu gleichermaßen zur Stromerzeugung geeignet sind. Dies bedeutet, dass bei der Stromerzeugung und -speicherung durch Photogalvanik kein Grund zur Sorge über den Photoabbau von Chlorophyll besteht.

(1) Spektren nach der zweiten Belichtung des Extrakts in Gegenwart von NaOH, NaLS und Fruktose [Kurvenlinie 6, Hauptspektraleigenschaft: Sowohl Referenz- als auch Probenlösungen wurden am 2. Tag der Herstellung beleuchtet und am 24. Tag erneut beleuchtet , Spektren nach erneuter Beleuchtung, kein Peak bei irgendeiner Wellenlänge, A0 bei 700 nm und höherem λ, A≈0 von 540 bis 700 nm, Absorption steigt regelmäßig von 540 nm zu niedrigerem λ]; (2) Nachbeleuchtungsspektren des Extrakts in Gegenwart von HCl, NaLS und Fruktose. [Kurvenlinie 7, Hauptspektraleigenschaft: Absorption bei allen λ war stark erhöht, breite Bande bei 640 nm (A2.22), sehr breite Bande bei 440–480 nm (A2.69), eine Schulterbande bei 540 nm (A2.22). .22)]; und (3) Spektren nach der Beleuchtung des Spinatextrakts in Gegenwart von HCl, NaLS und Fruktose: Spektren einer klaren und transparenten Schicht [Kurvenlinie 8, Hauptspektraleigenschaft: kein Peak bei irgendeinem λ, A0 bei 700 nm und höherem λ , A≈0 von 540 auf 700 nm, die Absorption steigt regelmäßig von 540 nm zu niedrigerem λ hin].

Daher kann der Schluss gezogen werden, dass der rohe Spinatextrakt eine gute Quelle für die Stromerzeugung ist, ohne dass man sich Sorgen über die Stabilität/Instabilität von Chlorophyll aufgrund von NaOH oder Beleuchtung machen muss. Es ist jedoch eine beobachtete und berichtete Tatsache, dass die Stabilität und Farbe von Chlorophyll durch Hitze, Luft (Sauerstoffgas), UV-Licht und pH-Wert beeinflusst wird (Abschnitt 8 der SI).

Die Vorbeleuchtungsspektren von reinem Rohspinatextrakt (Abb. 1, Kurvenlinie 1) und Rohspinatextrakt (mit HCl, NaLS und Fruktose) (Abb. 1, Kurvenlinie 4) weisen relativ scharfe Banden mit geringer Intensität und eine geringere Absorption auf im gesamten UV-sichtbaren Bereich.

Die Spektren nach der Beleuchtung von rohem Spinatextrakt in stark saurem Medium (pH 0,29) in Gegenwart von NaLS und Fruktose wurden ebenfalls bestimmt und mit den Spektren vor der Beleuchtung derselben Lösung verglichen. Der rohe Spinatextrakt (pH 0,29) wurde zusammen mit NaLS, Fruktose und HCl in eine photogalvanische Zelle gefüllt und am 2. Tag beleuchtet. Diese bereits beleuchtete Lösung wurde am 24. Tag erneut beleuchtet und dann wurde ihr UV-sichtbares Spektrum am 33. Tag aufgenommen .

Die Spektren von rohem Spinatextrakt (mit HCl, NaLS und Fruktose) nach fast einem Monat und zweimaliger Beleuchtung zeigen eine stark erhöhte Absorption bei 640 nm (A2.22, Breitband), 580 nm (A2.22, Schulterband). 460 nm (A2.69, sehr breites Band) und bei allen anderen Wellenlängen im gesamten UV-sichtbaren Bereich, was auf das Vorhandensein übermäßiger Trübung und Schwebstoffe schließen lässt (Abb. 3, Kurvenlinie 7; ergänzende Abbildung S1; ergänzende Tabelle S1). Die Lösung war aufgrund des Vorhandenseins von gelbbraunem wachsartigem Material, bei dem es sich möglicherweise um Phaeophytin handelt, das durch die Entfernung von Mg aus Chlorophyll gebildet wurde, stark trüb. Die beobachteten Banden können dem Phaeophytin zugeschrieben werden (in stark saurem Medium in Gegenwart von NaLS und Fruktose). Die Breite könnte auf den peripheren Mg-Komplex zurückzuführen sein77.

Als diese stark trübe Lösung einige Zeit ungestört belassen wurde, waren zwei Schichten deutlich sichtbar. Die obere Schicht war hochviskos, trüb, wachsartig und gelbbraun gefärbt, während die untere Schicht klar und transparent war. Die UV-sichtbaren Spektren dieser klaren und transparenten Schicht unterschieden sich völlig von denen der Lösung, bei der beide Schichten gemischt waren (dargestellt durch Kurve). Zeile 7 in Abb. 3). Die Spektren dieser klaren und transparenten Schicht weisen keine Peaks auf und ähneln denen für einen Monat alten und zweimal belichteten alkalischen rohen Spinatextrakt (gezeigt durch die Kurvenlinien 6 und 8 in Abb. 3), mit Ausnahme der Größe der Absorption. Der Absorptionswert der transparenten Schicht ist höher als der der letzteren. Außerdem weist die transparente Schicht eine Absorption über 700 nm auf, was zeigt, dass in der klaren Schicht noch eine gewisse Trübung vorhanden ist. Diese Trübung ist möglicherweise in die klare Schicht eingedrungen, als sie sich von der oberen viskosen Schicht trennte. Wenn wir aus den Spektren einer klaren Lösung die Trübungsabsorption (nahezu 0,22) ableiten, dann scheint sich die Spektralkurve dieser klaren Lösung mit der für einen Monat alten und zweimal belichteten alkalischen rohen Spinatextrakt für den größten Teil des UV– zu überlappen. sichtbaren Bereich. Dies deutet darauf hin, dass die chemische Zusammensetzung einer klaren sauren Lösung und eines einmonatigen und zweimal belichteten alkalischen rohen Spinatextrakts nahezu gleich ist. Dies bedeutet, dass die Produkte der Photozersetzung in einer klaren sauren Lösung und ein Monat alter und zweimal beleuchteter alkalischer roher Spinatextrakt nahezu gleich sind. Dies deutet auf das Fehlen von Chlorophyll und Phaeophytin in der klaren Lösung hin, da im sichtbaren Bereich kein Peak vorhanden ist.

Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die obere Wachsschicht aus einer wasserunlöslichen organischen Substanz besteht (möglicherweise handelt es sich um Phaeophytin, das durch Lichtschäden ausgelassen wurde). Es scheint, dass es bei niedrigem pH-Wert (dh 0,29) zu einer sehr starken Phäophytinisierung durch NaLS kam, die durch längere Zeit (33 Tage) verstärkt wurde. Dies führte zur Bildung von hochviskos-trübem wachsartigem Material. Diese Trübung könnte Phaeophytin geschützt haben, indem sie Lichtstreuung verursachte und die Photoabsorption durch Phaeophytin verringerte, was zu einer geringeren Photoschädigung von Phaeophytin im viskosen Teil führte. Dieser klare Teil war am 48. Tag noch klar, was darauf hindeutet, dass die Phäophytinisierung am 33. Tag oder früher abgeschlossen war. Wäre es nicht vollständig gewesen, hätte man am 33. Tag etwas wachsartiges Material in klaren Teilen beobachtet.

Eine photogalvanische Zelle besteht aus zwei Elektroden (z. B. anodische Platinelektroden und kathodische gesättigte Kalomelelektroden) in flüssigem Elektrolyt. Die Photostabilität und Wiederaufladbarkeit photogalvanischer Solarzellen sind Eigenschaften ihrer Elektroden und ihres Elektrolyten (Abschnitt 9 der SI).

Der photogalvanische Elektrolyt zeichnet sich durch ionische Sensibilisatorspezies (Chlorophyll) aus. Darüber hinaus gibt es andere ionische Spezies/beginnende ionische Spezies wie den oxidierten Zustand des Reduktionsmittelmoleküls, des Alkalimoleküls, des Moleküls kationischer/anionischer Tenside, Photoabbauprodukte des Sensibilisatormoleküls, photoangeregte und photoreduzierte Photoabbauprodukte des Sensibilisators Molekül usw. sind auch die chemischen Bestandteile des Elektrolyten. Andere ionische Spezies/entstehende ionische Spezies sind ebenfalls potenzielle Kandidaten für die Vervollständigung des inneren Zellkreislaufs, der zur aktuellen Generation führt. Diese Tatsache ist der Schlüssel zur langfristigen Erklärung der aktuellen Generation aus dem alten und gebrauchten Elektrolyten. Die Bildung ionischer Spezies durch Photoreduktion von Chlorophyll wird durch veröffentlichte Literatur59,78,79 gestützt.

Was die Stabilität (in Bezug auf die elektrische Leistung) von PG-Geräten auf der Basis von rohem Spinatextrakt anbelangt, verfügen diese Geräte über eine enorme Fähigkeit, Strom über einen langen Zeitraum zu speichern, und eine enorme Fähigkeit, Lade-Entlade-Zyklen zu durchlaufen. Die Speicherkapazität und die Wiederaufladungsaussichten einer photogalvanischen Zelle auf Rohspinatextraktbasis wurden über einen Zeitraum von mehr als 3 Monaten und 20 Tagen untersucht (Tabelle 1, Ergänzungstabelle S2). Während dieses Zeitraums wurde beim Wiederaufladen mit demselben und unsauberem Pt ein Strom von bis zu 62–112 % des beim anfänglichen Laden erzeugten Stroms beobachtet. Und beim Wiederaufladen mit demselben und gereinigtem Pt wurde beobachtet, dass der Strom nahezu dem entspricht, der beim anfänglichen Laden erzeugt wurde. Beim Aufladen wurde nach 23 bzw. 46 Tagen eine Erzeugung von fast 86 % bzw. 55 % der ursprünglichen Leistung (erzeugt beim ersten Laden) beobachtet. Die Ablagerung von Material (entfernbar) auf der Pt-Elektrode verringert die Leistungsabgabe in gewissem Maße. Daher gehen wir davon aus, dass die Verwendung derselben photogalvanischen Lösung (NaOH, NaLS, Rohspinatextrakt und Fruktose) mit demselben Pt und SCE nach der Reinigung das Potenzial hat, die beim anfänglichen Laden beobachtete Leistung zu wiederholen. Allerdings ist für diese Sichtweise eine umfassende Studie über einen längeren Zeitraum erforderlich (die wir in Zukunft durchführen werden), die nicht Teil dieses Manuskripts sein kann, da sie nicht das Ziel der vorliegenden Studie war. Ich habe ähnliche und sich wiederholende Ergebnisse beobachtet, als ich ähnliche PG-Zellen an verschiedenen Tagen in natürlichem Sonnenlicht aufgeladen habe. Die in dieser Arbeit beschriebene experimentelle Arbeit wurde im Jahr 2010 durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden viele Male unter ähnlichen Konzentrationsbedingungen usw. reproduziert. Zum ersten Mal im Jahr 2012, zum zweiten Mal im Jahr 2013, als die Zellen von Experten verifiziert wurden, und zum dritten Mal in Jahr 2014 (Ergänzungstabelle S3).

Nach dem Aufladen ist die elektrische Leistung nahezu dieselbe wie beim ersten Aufladen der Zelle (vorausgesetzt, die gut gereinigte Pt-Elektrode wird beim Aufladen verwendet). Daraus lässt sich schließen, dass Chemikalien wie Reduktionsmittel nicht verbraucht werden, andernfalls wäre nach dem Aufladen nicht annähernd die gleiche Leistung erzeugt worden. Darüber hinaus zeigt es auch die Photostabilität von rohem Spinatextrakt nach seiner Beleuchtung und erneuten Beleuchtung. Wäre der Spinatextrakt nicht stabil gewesen, wäre die gleiche Leistungsproduktion beim Aufladen nicht möglich gewesen.

Durch erneute Beleuchtung der Zelle können die Ergebnisse (Potenzial und Strom) reproduziert werden, die bei der ersten Beleuchtung erzielt wurden (Tabelle 1, Ergänzungstabellen S2, S3). Dies wäre nicht möglich gewesen, wenn das Reduktionsmittel geopfert worden wäre. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die wichtigste photochemische Reaktion reversibel ist, obwohl ein gewisses Element der Irreversibilität nicht geleugnet werden kann, da alle natürlichen Prozesse irreversibel sind.

Die Wiederaufladekapazität der Zelle auf einen elektrischen Ausgangswert (Wert nach dem ersten Laden) zeigt, dass der PG-Elektrolyt nicht verbraucht wird, andernfalls hätte der elektrische Ausgangswert nicht beobachtet werden können (Tabelle 1, Ergänzungstabellen S2, S3). Es zeigt, dass beim Laden und Entladen der Zelle kein wesentlicher Verbrauch an Elektroden, Photosensibilisator, Reduktionsmittel und Tensid auftritt. Es wird geschätzt, dass während der Photoerzeugung von Strom und Leistung durch die PG-Zellen nur ein Elektronenaustausch zwischen den elektroaktiven Spezies und Elektroden sowie den Photosensibilisator- und Reduktionsmittelmolekülen in der Massenlösung stattfindet. Daher handelt es sich bei der in der vorliegenden Arbeit untersuchten PG-Zelle um ein photogalvanisches System gemäß dem Konzept des photogalvanischen Effekts des Wissenschaftlers Rabinowitch.

Der Hauptzweck der PG-Zellen ist die Stromerzeugung und -speicherung. Die vorliegende Studie zeigt, dass relativ kostengünstigere und einfach herzustellende PG-Geräte auf Spinatextraktbasis im Vergleich zu Festkörperzellgeräten, die auf den isolierten photosynthetischen Protein-Molekülkomplexen basieren, recht stabil sind80 (Abschnitt 10 der SI).

Die Spektren von rohem Spinatextrakt ähneln den Absorptionseigenschaften von Chlorophyll „a“ und dem Chlorophyll-Protein-Komplex. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass der Chlorophyll-Protein-Komplex der Hauptbestandteil im rohen Spinatextrakt ist, der für die Lichtabsorption im sichtbaren Bereich verantwortlich ist.

Es ist nicht zu erwarten, dass der hohe pH-Wert die physiologische Aktivität von rohem Spinatextrakt durch Phäophytinisierung im Hinblick auf die Photogalvanik negativ beeinflusst.

Die Spektren von rohem Spinatextrakt (vorhanden mit NaOH, NaLS und Fructose in der photogalvanischen Zelle) nach fast einem Monat und zweimaliger Beleuchtung zeigen, dass in der so alten und beleuchteten photogalvanischen Elektrolytlösung kein Chlorophyll, Phaeophtin usw. vorhanden ist. Das bedeutet, dass diese Moleküle irreversibel photozersetzt wurden. Wenn diese durch Licht abgebaute Lösung erneut beleuchtet wird, ist die erhaltene Leistungsabgabe nahezu gleich der Leistung, die beim erstmaligen Beleuchten von frischem, rohem Spinatextrakt mit NaOH, NaLS und Fruktose erzielt wurde. Das bedeutet, dass sowohl der frische Rohspinatextrakt als auch der durch Licht abgebaute, NaOH-haltige Extrakt nahezu gleichermaßen zur Stromerzeugung geeignet sind. Daher kann der Schluss gezogen werden, dass der rohe Spinatextrakt eine gute Quelle für die Stromerzeugung ist, ohne dass man sich Gedanken über die Stabilität/Instabilität von Chlorophyll machen muss.

Die Spektren von rohem Spinatextrakt (mit HCl, NaLS und Fruktose) zeigen nach fast einem Monat und zweimaliger Beleuchtung eine stark erhöhte Absorption bei allen Wellenlängen im gesamten UV-sichtbaren Bereich, was auf das Vorhandensein übermäßiger Trübung und Schwebstoffe schließen lässt. Die Spektren der klaren und transparenten Schicht, die in Gegenwart von HCl über der Trübung vorhanden ist, weisen keine Peaks auf und ähneln denen für einen Monat alten und zweimal belichteten alkalischen rohen Spinatextrakt, mit Ausnahme der Größe der Absorption. Dies deutet darauf hin, dass die chemische Zusammensetzung einer klaren sauren Lösung und eines einmonatigen und zweimal belichteten alkalischen rohen Spinatextrakts nahezu gleich ist. Dies bedeutet, dass die Produkte der Photozersetzung in einer klaren sauren Lösung und ein Monat alter und zweimal beleuchteter alkalischer roher Spinatextrakt nahezu gleich sind. Dies deutet auf das Fehlen von Chlorophyll und Phaeophytin in der klaren Lösung hin, da im sichtbaren Bereich kein Peak vorhanden ist. Was die Stabilität (in Bezug auf die elektrische Leistung) von PG-Geräten auf der Basis von rohem Spinatextrakt anbelangt, verfügen diese Geräte über eine enorme Fähigkeit, Strom über einen langen Zeitraum zu speichern, und eine enorme Fähigkeit, Lade-Entlade-Zyklen zu durchlaufen.

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Der Autor dankt der Fakultät für Chemie der Jai NarainVyas University, Jodhpur, Rajasthan (Indien) für die Bereitstellung der notwendigen Laboreinrichtungen. Der Autor dankt den Zeitschriften „Environmental Progress and Sustainable Energy“ und „Advanced Energy and Sustainability Research“ für Materialien und Methoden.

Fakultät für Chemie, Jai Narain Vyas University, Jodhpur, Rajasthan, 342033, Indien

Pooran Koli

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Korrespondenz mit Pooran Koli.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Koli, P. Charakterisierung, Stabilität und Durchführbarkeit der langfristigen Verwendung lichtabsorbierender Komponenten eines photogalvanischen Elektrolyten auf der Basis von wässrigem Spinatextrakt. Sci Rep 12, 13518 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17647-5

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Eingegangen: 10. September 2021

Angenommen: 28. Juli 2022

Veröffentlicht: 07. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17647-5

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