近日，中国科学院催化基础国家重点实验室与洁净能源国家实验室李灿院士团队联合中科院“百人计划”学者陈钧研究员，在人工光合研究领域取得重要突破。研究团队首次将自然光合作用酶PSII与人工半导体纳米光催化剂自组装，构建出太阳能光催化全分解水杂化体系，实现了在太阳光照条件下的全分解水反应（2H₂O → O₂ + 2H₂）。该成果发表于《自然-通讯》期刊（Wangyin Wang, Jun Chen, Can Li, Wenming Tian, Nature Communications, 2014, 5:4647, doi: 10.1038/ncomms5647），标志着国际上首次在“自然与人工光合杂化体系”中实现太阳能全分解水制氢。

太阳能光催化分解水制氢是当前科学界极具挑战性的课题，旨在实现可再生能源的高效转化。传统人工光催化剂体系的活性普遍低于自然光合体系，尤其水氧化助催化剂的效率远不及自然光合体系PSII中的CaMn₄O₅簇。而自然光合体系虽具高效催化能力，但捕光范围与稳定性不如无机半导体体系。因此，李灿团队提出复合人工光合体系理念，集成自然与人工体系优势，构建高效太阳能转化杂化体系，并深入探究自然光合机制。

团队已构建多种杂化体系，实现高效产氢、氢转移及CO₂加氢等还原反应，并在《Accounts of Chemical Research》发表综述（Acc. Chem. Res., 2013, 46, 2355），系统阐述复合人工光合作用体系的科学意义与构建策略，为全分解水体系发展奠定基础。

在本项研究中，PSII酶利用太阳能高效催化水氧化反应，释放氧气并产生质子与电子。研究结合植物PSII酶与半导体光催化剂（如Ru/SrTiO₃:Rh），通过无机离子对[Fe(CN)₆³⁻/Fe(CN)₆⁴⁻]实现电子从自然酶PSII向人工催化剂的转移，在可见光照射下实现化学计量比的全分解水反应。分解水产氢活性高达2489 mol H₂ (mol PSII)⁻¹ h⁻¹，并在户外阳光下亦能高效产氢。实验发现，PSII膜片段可自组装结合于无机催化剂表面，PSII氧化水产生的电子通过界面离子对转移至半导体催化剂表面，参与质子还原产氢反应。

该研究为构建“自然-人工”杂化太阳能高效光合体系提供了创新思路，对未来可再生能源转化技术具有重要推动作用。

本研究获得国家自然科学基金和科技部973项目资助。（文/王旺银 图/陈钧）

参考文献：
Wangyin Wang, Jun Chen, Can Li, Wenming Tian, Nature Communications, 2014, 5:4647, doi: 10.1038/ncomms5647
Acc. Chem. Res., 2013, 46, 2355