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香港城市大学(城大)及其合作者的联合研究团队最近开发了一种比自然光合作用更高效的稳定的人工光催化系统。新系统模仿天然叶绿体，利用光非常有效地将水中的二氧化碳转化为有价值的燃料甲烷。这是一个有希望的发现，可能有助于实现碳中和的目标。

光合作用是植物和某些生物体中的叶绿体利用阳光、水和二氧化碳来产生食物或能量的过程。在过去的几十年里，许多科学家尝试开发人工光合作用过程，将二氧化碳转化为碳中性燃料。

“然而，在水中转化二氧化碳很困难，因为许多光敏剂或催化剂会在水中降解，”该联合研究的领导者之一、香港城市大学化学系副教授叶汝泉教授解释道。“尽管人工光催化循环已被证明具有更高的内在效率，但水中二氧化碳还原的低选择性和稳定性阻碍了其实际应用。”

在最新的研究中，城大、香港大学、江苏大学和中国科学院上海有机化学研究所的联合研究团队克服了这些困难，利用超分子组装方法创造了一种人工光合作用系统。它模仿紫色细菌的光捕获色素细胞(即含有色素的细胞)的结构，这种色素细胞在从太阳转移能量方面非常有效。

新型人工光合作用系统的核心是高度稳定的人工纳米胶束——一种可以在水中自组装的聚合物，具有亲水(亲水)端和畏水(疏水)端。纳米胶束的亲水头部充当光敏剂来吸收阳光，其疏水尾部充当自组装的诱导剂。当将其放入水中时，纳米胶束由于水分子和尾部之间的分子间氢键而自组装。添加钴催化剂会导致光催化氢气产生和二氧化碳还原，从而产生氢气和甲烷。

利用先进的成像技术和超快光谱，该团队揭示了创新光敏剂的原子特征。他们发现，纳米胶束亲水头部的特殊结构，以及水分子与纳米胶束尾部之间的氢键作用，使其成为一种稳定的、与水相容的人工光敏剂，解决了人工光合作用传统的不稳定性和水不相容性问题。光敏剂和钴催化剂之间的静电相互作用以及纳米胶束强的光捕获天线效应改善了光催化过程。

实验中，团队发现24小时内甲烷产率超过13000μmol h -1 g -1，量子产率为5.6%。它还实现了15%的高效太阳能转化为燃料的效率，超越了自然光合作用。

最重要的是，新的人工光催化系统在经济上可行且可持续，因为它不依赖昂贵的贵金属。叶教授说：“该系统的分层自组装提供了一种有前途的自下而上的策略，可以基于廉价、地球丰富的元素(如锌和钴卟啉配合物)创建精确控制的高性能人工光催化系统。”

叶教授表示，他相信这一最新发现将有益于并启发未来利用太阳能转化和还原二氧化碳的光催化系统的合理设计，为实现碳中和的目标做出贡献。

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