人工光合作用新突破！解耦光-暗反应，我国实现全天候CO2转化

近日，人工光合作用又有了新突破！

工业革命以来，化石燃料的使用排放了大量二氧化碳（CO2），加剧全球变暖。为应对气候变化，我国已提出2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的战略目标。由于能源结构的限制，我国在未来较长一段时间内仍会以煤炭等化石燃料为主要能量来源，短时间内还难以摆脱对化石能源的依赖。于是，科学家们提出通过一定的技术手段将化石燃料使用过程中排放的CO2封存利用，这样就可以保障经济和生态的协调发展。

发现光催化CO2转化技术瓶颈

通过可再生能源将CO2催化转化为高附加值燃料是一种吸引人的CO2转化利用方式，能够同时缓解能源危机并减少CO2排放，可为“双碳”目标提供重要科技支撑。太阳能清洁、可再生，在我国供给量大，是较为理想的驱动CO2转化利用的能量来源。在太阳光驱动CO2转化过程中，主要依靠太阳光激发出催化剂中的还原性光生电子，从而实现CO2还原。
但是，还原性光生电子寿命通常都很短，在亚皮秒到秒的数量级，导致CO2转化反应在光照停止后会迅速中止。由于地表太阳辐照强度受昼夜更替和天气变化影响，夜间、云雨天太阳光照强度迅速降低到接近零。太阳能供给的不确定性和CO2转化对光照的依赖性，限制了光催化CO2转化技术的进一步应用。

模拟自然光合作用的条件，用于研究光合作用的过程、机制和光合产物的生成。这对于农业、能源和环境领域的研究具有重要意义，有助于提高光合作用效率和开发可再生能源，而且还能处理多余的二氧化碳。

人工光合作用的可能性

生命过程离不开超分子自组装，光合生命以脂质和蛋白为骨架，可以对捕光复合物和反应中心进行精确定位，并能有序排列形成精妙的多级自组装结构，比如紫菌的色素体、高等植物的类囊体等。

这些优雅的超分子组装体表现出高效的光捕获、精确的电子转移和选择性催化功能。

而在人工光合领域，超分子自组装的好处在于可以让人们“自下而上”地构筑光合材料，比如将单体分子组装为纳米复合结构。另外，通过优化结构设计，还能提高能量转移和电子传递的效率。

同时，超分子自组装能将不同的功能模块组装在一起，借此形成复合材料，从而打造多功能的人工光合系统。

另外，超分子自组装还具有可逆性和修复性的特点，能对人工光合材料的长期稳定性和可持续性起到重要作用。

如前所述，光合作用为生命提供了物质和能量。针对人工光合作用的研究一般主要关注：如何使用人工方法来模拟自然光合作用过程，将太阳能转化为化学能并进行储存。

具体来说，该领域的研究主要集中在以下几个方面：

其一，光吸收和能量转化。即设计和合成可以高效捕获太阳能的材料，让这些材料高效地吸收光能，并将不同波长的太阳光转化为可利用的能量。

其二，电子传递。即研究光激发态中电子的传输过程，包括电子在光吸收材料内部和不同受体之间的传递，以便设计高效的电子传输路径，从而最大限度地提高能量转换效率。

其三，光化学反应。即研究光激发态中的化学反应，例如使用光能来分解水或还原二氧化碳，寻找能够有效催化这些反应的催化剂，以便实现可控的太阳能转化。

由此可见，针对人工光合作用的研究，主要目标是通过模仿自然光合作用的原理和过程，开发高效可持续的太阳能转化技术。

模拟自然光合作用，解耦光-暗反应

自然光合作用为我们提供了突破太阳光供给不确定性对光催化CO2转化技术应用限制的思路。绿色植物通过自然光合作用将CO2转化为碳氢化合物可分为两个步骤：光反应和暗反应。光反应过程中，植物在光照下合成还原性中间体（NADPH和ATP）。暗反应过程中，在还原性中间体的作用下，CO2可被逐步转化为碳氢化合物（图2a）。

那么，是否可以模拟自然光合作用，在催化剂中也存储一种还原性物质，在需要CO2转化的时候通过释放还原性物质驱动CO2的转化呢？从热力学上来看，通过质子/电子途径将CO2还原为甲烷（CH4）的过程是放热过程（ΔG = －113 kJ/mol），在一定条件下反应可以自发进行。

可见，如果将还原性的电子和质子存储在催化剂中作为还原性物质，那么在光照结束后实现可持续的全天候CO2甲烷化，在原理上是可行的。但在单一材料中模拟植物光合作用，将太阳光吸收过程和CO2催化转化反应解耦，以实现全天候CO2转化，特别是转化为碳氢燃料，仍未有过报道。