自然光合酶-人工光催化剂杂化光合体系太阳能全分解水的研究

Producing H2 fuel via photocatalytic water splitting is an important approach to address the energy and environment issues. Although great progress has been made on semiconductor-based photocatalyst in the past forty years, there still remains big challenge so far in this field due to the low efficiency of the photocatalyst and insufficient understanding on the mechanism of photocatalytic reaction. In nature, photosynthetic enzymes are considered to be ideal platform for investigating solar-to-chemical energy conversion due to their high efficiency for utilizing solar energy and catalytic performance. In this proposal, we aim to solve the key issues in the solar water splitting hybrid system based on our initial progress on the natural-artificial photosynthetic hybrid system for overall water splitting. We will focus on the extension of the hybrid system based on the initial Z-scheme strategy and develop novel photoelectrochemical hybrid systems coupling enzyme (PSII, PSI) with photoelectrode in the tandem design to improve the efficiency of solar water splitting. Moreover, we will try to reveal the mechanism involved in the electron transfer process in the hybrid system and understand the profound scientific issues of the natural and artificial photosynthetic processes. The above efforts will provide the scientific foundation for developing efficient and stable artificial photosynthetic hybrid system for solar fuels production.

利用太阳能进行光催化分解水制氢是解决能源和环境问题的重要途径。基于半导体材料的光催化体系经过四十年的发展已取得诸多重要进展，但仍面临巨大挑战。究其原因主要在于催化剂效率低，催化机理等基础科学问题有待进一步深入研究。在自然界，光合蛋白酶具有高效的太阳能转化效率及催化活性，是太阳能到化学能转化研究中一种模型材料。本研究将以前期在自然-人工杂化光合体系太阳能全分解水研究中取得的重要进展为基础，致力于研究太阳能分解水杂化体系中的关键科学问题。项目将进一步拓展光合酶（PSII，PSI）和人工光催化剂耦合的光催化体系，发展新型的光合酶-光电催化耦合体系，提高太阳能分解水效率，研究反应过程涉及的电子转移过程，深入理解自然和人工光合过程的基本科学问题。项目的研究成果可为发展高效、稳定的人工光合太阳能燃料体系提供重要的科学基础。

人工光合成体系是太阳能转化为化学能生产太阳燃料的重要研究方向，而自然光合作用的原理可以启发我们如何构筑高效的人工光合体系。本研究借鉴和利用自然光合的原理构筑自然-人工杂化光合体系，通过研究电子转移，表面催化反应，能量转化认识太阳能全分解水体系的基本问题：.第一，我们通过构筑电子传递链研究了杂化体系中光系统II和半导体光催化剂之间的质子电子转移过程，发现氧化还原电对在生物无机界面的质子电子转移对杂化体系分解水活性起到关键作用。.第二，氧化还原电对在放氢催化剂上与质子还原的竞争反应是影响杂化体系性能的重要因素，我们通过修饰产氢光催化剂上的助催化剂，调控氧化还原电对反应的动力学，解决了影响放氢反应的逆反应问题，实现了高效全分解水反应。.第三，我们通过对分解水模型体系计算，提出了提高分解水体系太阳能转化效率的策略。并构筑了实验体系利用氧化还原液流电池的原理与Z-scheme分解水体系耦合实现光催化产氢和发电，提高太阳能转化效率。.这些结果为发展高效稳定的人工光合太阳能燃料体系提供重要的科学依据和策略。