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上海光源两项用户成果入选2019年度“中国科学十大进展”
文章来源:    发布时间:2020-03-02

科学技术部高技术研究发展中心227日发布“2019年度中国科学十大进展”。上海光源两项用户成果——“破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能”和“阐明铕离子对提升钙钛矿太阳能电池寿命的机理”入选,其中“破解藻类水下光合作用的蛋白结构和功能”成果于同时入选“中国十大科技进展新闻”和“中国生命科学十大进展”。 

中科院植物所研究团队解析了硅藻的主要捕光天线蛋白高分辨率结构,利用上海光源BL17U1线站晶体学衍射方法首次解析了硅藻的主要捕光天线蛋白(FCP)1.8埃的高分辨率结构。这是硅藻的首个光合膜蛋白结构解析研究,是该研究领域期待已久的结构解析工作,为研究硅藻的光能捕获、利用和光保护机制提供了重要的结构基础,基于该研究,科学家未来有望设计出可以高效“捕光”的新型作物。 

光合作用是地球上规模最大、最重要的化学反应。光合生物利用太阳能合成有机物,释放出氧气,为人类繁衍和社会发展提供基本的物质基础和能量来源。其中硅藻(Diatoms)贡献了地球上每年约20%的原初生产力——即其吸收二氧化碳的能力占全球生态系统的五分之一左右,比热带雨林的贡献还要高,因此在地球的元素(碳、氮、氧、硅等)循环和气候变化中发挥重要作用。硅藻捕光天线蛋白“岩藻黄素-叶绿素a/c蛋白复合体”(Fucoxanthin chlorophyll a/c proteinFCP)具有出色的蓝绿光捕获能力和极强的光保护能力,是硅藻细胞快速生长和繁殖的能量基础。然而硅藻光合膜蛋白的结构长期没有得到解析,极大限制了硅藻光合作用的研究。 

研究人员解析了海洋硅藻——三角褐指藻FCP的高分辨率晶体结构,首次描绘了叶绿素c和岩藻黄素在光合膜蛋白中的结合细节,阐明了叶绿素和岩藻黄素在FCP复合体中的空间排布,揭示了叶绿素c和岩藻黄素捕获蓝绿光并高效传递能量的结构基础;首次揭示了FCP二聚体的结合方式,对几十年来硅藻主要捕光天线蛋白聚合状态研究提供了第一个明确的实验证据。这一研究工作为揭示光合作用光反应拓展捕光截面和高效捕获传递光能机理,以及硅藻超强的光保护机制提供了坚实的结构基础;为实现光合作用宽幅捕获和快速传递光能的理论计算提供了可能,为人工模拟光合作用机理提供了新理论依据,也为指导设计新型作物、提高植物的捕光和光保护效率提供了新思路和新策略。 

利用上海光源BL17U1线站解析的硅藻主要捕光天线蛋白(FCP)1.8埃的高分辨率结构 

成果链接:Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatomsScience DOI: 10.1126/science.aav0365 

钙钛矿太阳能电池是广受关注的新一代光伏技术,而其工作稳定性是目前产业化的主要障碍。由于卤化铅钙钛矿的“软”的性质,使它在制备和处于工作阶段时,极易产生本征缺陷零价铅(Pb0)和碘(I0),这一问题严重制约着器件长期稳定性。为提高本征稳定性,北京大学周欢萍研究组、严纯华/孙聆东研究组及其合作者提出,通过在钙钛矿活性层中引入铕离子对作为“氧化还原梭”,可同时消除相关缺陷,进而大幅提升器件使用寿命。研究团队利用上海光源BL14B线站的掠入射广角X射线散射证实,Eu3+-Eu2+离子对在钙钛矿多晶膜内部的氧化还原穿梭不仅可以有效减少多晶膜的本征缺陷,而且也未引起明显的晶面择优取向的变化,很好的保持了薄膜原始的高度有序结晶度。 

 

同步辐射GIWAXS表征钙钛矿薄膜结晶性和晶面择优取向 

Eu3+/Eu2+离子对促进溶液和钙钛矿膜中Pb0I0Pb2+I-的转化示意图 

成果链接: A Eu3+-Eu2+ ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells 

Science DOI: 10.1126/science.aau5701