崭新光催化系统把二氧化碳转为燃料 效能更胜自然光合作用

香港城市大学（城大）学者有份参与领导的联合研究团队最新研发出一种稳定的人工光催化系统，转化太阳能的效率较天然光合作用更高。该崭新系统模仿自然界的叶绿体，能够利用光能把水中的二氧化碳转化为甲烷这具价值的燃料。这一突破性发现，有助促进实现碳中和的目标。

自然界的光合作用是指植物和一些生物体内的叶绿体，利用阳光、水和二氧化碳制造出食物（养分）或能量的过程。数十年来，科学家们一直尝试开发不同的人工光合作用系统，以求有效地把温室气体二氧化碳转化为碳中和燃料。

有份领导本次联合研究的香港城大化学系副教授叶汝全教授点出当中困难之处：“要把水中的二氧化碳转化是非常困难的，因为许多光敏剂或催化剂在水中会降解。”他续说：“虽然人工光催化循环已经被证明具有更高的内在效率，但在水中进行二氧化碳还原反应（carbon dioxide reduction）时，仍受制于还原反应的低选择性和稳定性的问题，窒碍了有关技术的实际应用。”

有见及此，在最新的研究中，来自香港城大、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便通过使用“超分子组装方法”，开发出一套崭新的人工光合作用系统。该人工光合作用系统模仿了自然界一种紫色细菌用来吸光的色素体（即含有色素的细胞）的结构，这些色素体能以非常有效的方式把从太阳取得的能量作出转化。

这套新型的人工光合作用系统的关键，是一种稳定性极高的人工纳米胶束（nanomicelle），它是一种在水中可以自我组装的聚合物，并同时具有亲水和疏水各一端。这种纳米胶束的亲水头部可充当光敏剂来吸收阳光，其疏水尾部则可作为自组装的诱导剂。当把它放入水中时，由于水分子与纳米胶束尾部之间的“分子间氢键作用”（intermolecular hydrogen bonding），纳米胶束会自组装，合为一体。当添加钴催化剂，即会引发光催化制氢及转化二氧化碳，从而产生氢气和甲烷。

联合研究团队并利用先进的成像技术和超快光谱学，揭示了这种创新光敏剂的原子特性。他们发现，纳米胶束亲水性头部的特殊结构，以及水分子与纳米胶束尾部之间的氢键作用，使它成为稳定及与水相容的人工光敏剂，解决了以往人工光合作用系统不稳定及与水不相容的难题。光敏剂与钴催化剂之间的静电作用，以及纳米胶束展示强大的“吸光天线效应”，均提高了光催化过程的效率。

在实验中，研究团队发现若利用新的人工光催化系统去转化太阳能，甲烷的生产率超过13,000μmol h⁻¹ g⁻¹，24小时内的量子产量亦达到5.6%。它把太阳能转化为燃料时更实现了高达15%的高效率，超越了自然界的光合作用。

最重要的是，新的人工光催化系统经济上可行兼具有可持续性，因为它并不依赖昂贵的贵金属。叶教授说：“这个崭新系统的分层自组装特色，提供了一种很有前景、由下而上的策略。它能够利用地球蕴藏量极丰富的廉价元素如锌和钴卟啉复合物，开发出一种能精确调控的高性能人工光催化系统。”

叶教授相信，这项研究成果将有利于并可启发未来光催化系统的设计，有效地用太阳能把二氧化碳转化和减少，以实现碳中和的目标。

上述研究成果已发表于科学期刊《自然催化》（Nature Catalysis），标题为〈Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO₂ reduction in water〉。

论文的第一作者是来自上海有机化学研究所的于军来博士和城大的黄丽蓓博士。通讯作者则分别是叶教授、香港大学裴达伟教授、江苏大学杜莉莉教授以及上海有机化学研究所田佳教授。

这次研究获得了包括中国国家自然科学基金、广东省基础和应用基础研究基金、深圳市科技计划以及香港研究资助局等机构的资金支持。