(相關(guān)資料圖)

光合作用，通常是指綠色植物(包括藻類)吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物，同時釋放氧氣的過程。因此，科學(xué)界期望能夠研究人工光合作用，以促進大氣中的碳-氧平衡。為了模擬這一綠色的轉(zhuǎn)化途徑，科學(xué)家將不同功能且能帶匹配的半導(dǎo)體相結(jié)合，設(shè)計構(gòu)建兼具氧化還原活性的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)光催化劑來完成人工光合作用(即耦合光驅(qū)動CO2還原和水氧化反應(yīng))。

異質(zhì)結(jié)光催化劑是為了克服單一光催化劑存在光生空穴和電子容易復(fù)合，光生空穴和電子氧化還原能力有限等問題的缺陷而研制的。然而，由于異質(zhì)結(jié)材料具有多相雜化、非周期性分布和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等特征，很難在分子水平上探索精準的催化機理并建立對應(yīng)分子級結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。這不利于進一步指導(dǎo)高效全反應(yīng)催化劑的設(shè)計合成。此外，異質(zhì)結(jié)材料難以精確設(shè)計和調(diào)整結(jié)構(gòu)中氧化和還原組分不同連接方式和空間排列，因此很難系統(tǒng)地研究這些因素對光催化性能的具體影響。

華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院蘭亞乾教授和劉江教授的研究團隊為了解決這一難題，提出利用具有氧化還原活性的晶態(tài)結(jié)構(gòu)基元構(gòu)建周期性分布的氧化-還原(OR)分子結(jié)光催化劑。研究團隊利用氧化型多酸簇(PMo12)和還原型金屬-有機簇(Ni5)以直接(d-OR)、交替(a-OR)或?qū)ΨQ(s-OR)方式，合成了三種分子結(jié)化合物。與預(yù)期相符，這三種分子結(jié)化合物均可以實現(xiàn)人工光合作用。值得注意的是，這些具有單相周期性分布的晶態(tài)催化劑明顯改變和豐富了傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)中已發(fā)現(xiàn)的光生電荷遷移方向和路徑，從而提高了光生電子和空穴的分離效率。

特別是s-OR中的展現(xiàn)出的對稱電荷遷移模式，與傳統(tǒng)的異質(zhì)結(jié)模型相比，可以更有效地抑制光生電荷復(fù)合，從而大大提高光催化性能。結(jié)構(gòu)分析和密度泛函理論計算表明，通過調(diào)整氧化簇和還原簇的空間排列，可以同步調(diào)節(jié)這些OR分子結(jié)光催化劑的能級、軌道排布和光生電荷遷移模式，從而進一步優(yōu)化光催化性能。OR分子結(jié)體系的建立為提高人工光合作用中光生電荷利用效率提供了開創(chuàng)性的思路和解決方案。

相關(guān)研究Molecular oxidation-reduction junctions for artificial photosynthetic overall reaction發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

參考來源：中國科學(xué)報

關(guān)鍵詞： 光合作用 光催化劑 華南師范大學(xué)