科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

瑞士巴塞爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在人工光合作用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展：他們開(kāi)發(fā)出一種新型人工分子，能夠模仿植物自然的光合作用機(jī)制，在光照條件下同時(shí)儲(chǔ)存兩個(gè)正電荷和兩個(gè)負(fù)電荷。這一成果為未來(lái)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為碳中和燃料提供了新的可能性。相關(guān)論文發(fā)表于最新的《自然·化學(xué)》雜志。

在自然界中，植物通過(guò)光合作用利用陽(yáng)光的能量，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為富含能量的糖類(lèi)分子。這些有機(jī)物不僅為植物自身提供能量，也成為整個(gè)食物鏈的基礎(chǔ)。當(dāng)動(dòng)物或人類(lèi)消耗這些碳水化合物，將其“燃燒”以獲取能量時(shí)，會(huì)釋放二氧化碳，從而形成一個(gè)閉合的碳循環(huán)。科學(xué)家正試圖模仿這一過(guò)程，利用陽(yáng)光合成氫氣、甲醇或汽油等高能燃料，這類(lèi)“太陽(yáng)能燃料”在使用過(guò)程中釋放的二氧化碳等于其生產(chǎn)時(shí)所吸收的量，因此可實(shí)現(xiàn)碳中和，是未來(lái)清潔能源的重要方向。

一種具有特殊結(jié)構(gòu)的分子，是此次實(shí)現(xiàn)人工光合作用的關(guān)鍵一步。該分子由5個(gè)功能單元串聯(lián)組成，每一部分承擔(dān)特定任務(wù)。分子的一端包含兩個(gè)可釋放電子的單元，在失去電子后帶正電；另一端有兩個(gè)可接收電子的單元，獲得電子后帶負(fù)電；中間則是吸收光能、啟動(dòng)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的核心結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)采用兩步光照的方法實(shí)現(xiàn)四電荷的存儲(chǔ)：第一道閃光激發(fā)分子，觸發(fā)電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電荷，并分別遷移到分子兩端；隨后第二道閃光再次引發(fā)相同反應(yīng)，使分子最終攜帶兩個(gè)正電荷和兩個(gè)負(fù)電荷。這種分步激發(fā)機(jī)制使得該過(guò)程可以在較弱的光照條件下進(jìn)行，接近自然陽(yáng)光的強(qiáng)度，而此前類(lèi)似研究往往依賴高強(qiáng)度激光，難以應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境。

更重要的是，這些分離的電荷在分子中能夠保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，持續(xù)足夠長(zhǎng)時(shí)間，以便參與后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，例如將水分解為氫氣和氧氣——這是生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料的關(guān)鍵步驟。

這一分子成功實(shí)現(xiàn)了多電荷分離與儲(chǔ)存這一核心功能。團(tuán)隊(duì)成員表示，他們已經(jīng)識(shí)別并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)拼圖中的一個(gè)重要部分。

這項(xiàng)研究深化了人們對(duì)人工光合作用中電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的理解，也為未來(lái)設(shè)計(jì)更高效、更接近自然系統(tǒng)的太陽(yáng)能燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。其成果能為可持續(xù)能源的發(fā)展開(kāi)辟新路徑，推動(dòng)人類(lèi)向綠色、碳中和的能源目標(biāo)邁進(jìn)。

總編輯圈點(diǎn)

自然界的光合作用很神奇，植物捕獲光子后，能在極短時(shí)間內(nèi)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，葉綠體簡(jiǎn)直是近乎完美的光能工廠。此次，科研人員開(kāi)發(fā)出一種具有特殊結(jié)構(gòu)的分子，它可以模仿光合作用機(jī)制，在接近自然光強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)四電荷穩(wěn)定存儲(chǔ)，為后續(xù)燃料合成提供了基礎(chǔ)條件。這些分子如同人工葉綠體，可將陽(yáng)光“生產(chǎn)”為高能燃料，如氫氣、乙醇，解決太陽(yáng)能本身穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題，為人類(lèi)帶來(lái)清潔能源革命，也帶來(lái)更加綠色的未來(lái)。