實現(xiàn)太陽能全分解水制氫

    8月20日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室及潔凈能源國家實驗室李燦院士和中科院“百人計劃”學(xué)者陳鈞研究員負(fù)責(zé)的人工光合研究項目取得新進(jìn)展：將自然光合作用酶PSII和人工半導(dǎo)體納米光催化劑自組裝構(gòu)建了太陽能光催化全分解水雜化體系，實現(xiàn)了太陽光下的全分解水反應(yīng)（即：2H2O®O2+2H2），相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的《自然—通訊》期刊上(Wangyin Wang, Jun Chen, Can Li, Wenming Tian, Nature Communications, 2014, 5:4647 doi: 10.1038/ncomms5647)。這是國際上第一例在“自然和人工光合雜化體系上實現(xiàn)太陽能全分解水制氫”的研究報道。

    太陽能光催化分解水制氫是科學(xué)界最具挑戰(zhàn)的課題之一，受到世界各國科學(xué)家越來越廣泛的重視。實現(xiàn)水分解反應(yīng)的關(guān)鍵是構(gòu)建高效的光催化體系。大部分人工光催化劑體系的催化劑活性比自然光合體系的催化活性低，尤其水氧化助催化劑的活性更低（一般比自然光合體系PSII中CaMn4O5簇的活性低3-4個數(shù)量級），而自然光合體系的捕光范圍和穩(wěn)定性不如基于無機半導(dǎo)體的人工光合體系優(yōu)越，為此李燦團隊提出了復(fù)合人工光合體系的理念，試圖雜化集成兩種體系的優(yōu)勢，建立自然光合和人工光合的復(fù)合雜化體系，以期實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化，并揭示自然光合體系的奧秘。圍繞這一理念已先后構(gòu)建了雜化體系實現(xiàn)了高效產(chǎn)氫、氫轉(zhuǎn)移及CO2加氫等還原反應(yīng)，受邀在Accounts of Chemical Research上發(fā)表綜述文章 (Acc. Chem. Res., 2013, 46, 2355) ，闡述了復(fù)合人工光合作用體系的科學(xué)意義和構(gòu)建策略，為發(fā)展全分解水體系奠定了基礎(chǔ)。

    在自然光合作用中，PSII酶利用太陽能高效催化水氧化反應(yīng)，放出氧氣并產(chǎn)生當(dāng)量質(zhì)子和電子，為了實現(xiàn)太陽能光催化全分解水，基于復(fù)合人工光合作用體系的思路，在本工作中結(jié)合光合酶PSII和人工光催化劑的優(yōu)勢，構(gòu)建了植物PSII酶和半導(dǎo)體光催化劑（例如，Ru/SrTiO3:Rh）的自組裝雜化光合體系，以無機離子對[Fe(CN)63-/Fe(CN)64-]由自然酶PSII向人工Ru/SrTiO3:Rh催化劑傳遞電子，在可見光照射下實現(xiàn)了化學(xué)計量比全分解水。分解水產(chǎn)氫活性達(dá)到了2489 mol H2 (mol PSII)-1 h-1，而且在戶外陽光下也實現(xiàn)了分解水反應(yīng)。研究還發(fā)現(xiàn)PSII膜片段可以通過自組裝的方式結(jié)合在無機催化劑表面，PSII氧化水產(chǎn)生的電子通過界面處傳遞離子對將電子轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體催化劑表面參與質(zhì)子還原產(chǎn)氫反應(yīng)。該研究為進(jìn)一步構(gòu)建和發(fā)展“自然-人工”雜化的太陽能高效光合體系提供了原初的思路。

    該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目和科技部973項目的資助。（來源：科學(xué)網(wǎng) 通訊員王旺銀 記者劉萬生）