科技日報記者 張夢然

瑞士巴塞爾大學(xué)研究團(tuán)隊在人工光合作用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展：他們開發(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，在光照條件下同時儲存兩個正電荷和兩個負(fù)電荷。這一成果為未來將太陽能轉(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，植物通過光合作用利用陽光的能量，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為富含能量的糖類分子。這些有機(jī)物不僅為植物自身提供能量，也成為整個食物鏈的基礎(chǔ)。當(dāng)動物或人類消耗這些碳水化合物，將其“燃燒”以獲取能量時，會釋放二氧化碳，從而形成一個閉合的碳循環(huán)?？茖W(xué)家正試圖模仿這一過程，利用陽光合成氫氣、甲醇或汽油等高能燃料，這類“太陽能燃料”在使用過程中釋放的二氧化碳等于其生產(chǎn)時所吸收的量，因此可實現(xiàn)碳中和，是未來清潔能源的重要方向。

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

團(tuán)隊采用兩步光照的方法實現(xiàn)四電荷的存儲：第一道閃光激發(fā)分子，觸發(fā)電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生一對正負(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正電荷和兩個負(fù)電荷。這種分步激發(fā)機(jī)制使得該過程可以在較弱的光照條件下進(jìn)行，接近自然陽光的強(qiáng)度，而此前類似研究往往依賴高強(qiáng)度激光，難以應(yīng)用于實際環(huán)境。

更重要的是，這些分離的電荷在分子中能夠保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，持續(xù)足夠長時間，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)太陽能燃料的關(guān)鍵步驟。

這一分子成功實現(xiàn)了多電荷分離與儲存這一核心功能。團(tuán)隊成員表示，他們已經(jīng)識別并實現(xiàn)了整個拼圖中的一個重要部分。

這項研究深化了人們對人工光合作用中電子轉(zhuǎn)移機(jī)制的理解，也為未來設(shè)計更高效、更接近自然系統(tǒng)的太陽能燃料轉(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)展開辟新路徑，推動人類向綠色、碳中和的能源目標(biāo)邁進(jìn)。

總編輯圈點

自然界的光合作用很神奇，植物捕獲光子后，能在極短時間內(nèi)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，葉綠體簡直是近乎完美的光能工廠。此次，科研人員開發(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)度下實現(xiàn)四電荷穩(wěn)定存儲，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，可將陽光“生產(chǎn)”為高能燃料，如氫氣、乙醇，解決太陽能本身穩(wěn)定性差、轉(zhuǎn)化效率低的問題，為人類帶來清潔能源革命，也帶來更加綠色的未來。