香港城市大學(xué)（城大）學(xué)者有份參與領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)出一種穩(wěn)定的人工光催化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的效率較天然光合作用更高。該嶄新系統(tǒng)模仿自然界的葉綠體，能夠利用光能把水中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷這具價(jià)值的燃料。這一突破性發(fā)現(xiàn)，有助促進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

自然界的光合作用是指植物和一些生物體內(nèi)的葉綠體，利用陽(yáng)光、水和二氧化碳制造出食物（養(yǎng)分）或能量的過(guò)程。數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直嘗試開發(fā)不同的人工光合作用系統(tǒng)，以求有效地把溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳中和燃料。

有份領(lǐng)導(dǎo)本次聯(lián)合研究的香港城大化學(xué)系副教授葉汝全教授點(diǎn)出當(dāng)中困難之處：“要把水中的二氧化碳轉(zhuǎn)化是非常困難的，因?yàn)樵S多光敏劑或催化劑在水中會(huì)降解。”他續(xù)說(shuō)：“雖然人工光催化循環(huán)已經(jīng)被證明具有更高的內(nèi)在效率，但在水中進(jìn)行二氧化碳還原反應(yīng)（carbon dioxide reduction）時(shí)，仍受制于還原反應(yīng)的低選擇性和穩(wěn)定性的問(wèn)題，窒礙了有關(guān)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。”

有見(jiàn)及此，在最新的研究中，來(lái)自香港城大、香港大學(xué)、江蘇大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)便通過(guò)使用“超分子組裝方法”，開發(fā)出一套嶄新的人工光合作用系統(tǒng)。該人工光合作用系統(tǒng)模仿了自然界一種紫色細(xì)菌用來(lái)吸光的色素體（即含有色素的細(xì)胞）的結(jié)構(gòu)，這些色素體能以非常有效的方式把從太陽(yáng)取得的能量作出轉(zhuǎn)化。

這套新型的人工光合作用系統(tǒng)的關(guān)鍵，是一種穩(wěn)定性極高的人工納米膠束（nanomicelle），它是一種在水中可以自我組裝的聚合物，并同時(shí)具有親水和疏水各一端。這種納米膠束的親水頭部可充當(dāng)光敏劑來(lái)吸收陽(yáng)光，其疏水尾部則可作為自組裝的誘導(dǎo)劑。當(dāng)把它放入水中時(shí)，由于水分子與納米膠束尾部之間的“分子間氫鍵作用”（intermolecular hydrogen bonding），納米膠束會(huì)自組裝，合為一體。當(dāng)添加鈷催化劑，即會(huì)引發(fā)光催化制氫及轉(zhuǎn)化二氧化碳，從而產(chǎn)生氫氣和甲烷。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)并利用先進(jìn)的成像技術(shù)和超快光譜學(xué)，揭示了這種創(chuàng)新光敏劑的原子特性。他們發(fā)現(xiàn)，納米膠束親水性頭部的特殊結(jié)構(gòu)，以及水分子與納米膠束尾部之間的氫鍵作用，使它成為穩(wěn)定及與水相容的人工光敏劑，解決了以往人工光合作用系統(tǒng)不穩(wěn)定及與水不相容的難題。光敏劑與鈷催化劑之間的靜電作用，以及納米膠束展示強(qiáng)大的“吸光天線效應(yīng)”，均提高了光催化過(guò)程的效率。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)若利用新的人工光催化系統(tǒng)去轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能，甲烷的生產(chǎn)率超過(guò)13,000μmol h^?1 g^?1，24小時(shí)內(nèi)的量子產(chǎn)量亦達(dá)到5.6%。它把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料時(shí)更實(shí)現(xiàn)了高達(dá)15%的高效率，超越了自然界的光合作用。

最重要的是，新的人工光催化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)上可行兼具有可持續(xù)性，因?yàn)樗⒉灰蕾嚢嘿F的貴金屬。葉教授說(shuō)：“這個(gè)嶄新系統(tǒng)的分層自組裝特色，提供了一種很有前景、由下而上的策略。它能夠利用地球蘊(yùn)藏量極豐富的廉價(jià)元素如鋅和鈷卟啉復(fù)合物，開發(fā)出一種能精確調(diào)控的高性能人工光催化系統(tǒng)。”

葉教授相信，這項(xiàng)研究成果將有利于并可啟發(fā)未來(lái)光催化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效地用太陽(yáng)能把二氧化碳轉(zhuǎn)化和減少，以實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

上述研究成果已發(fā)表于科學(xué)期刊《自然催化》（Nature Catalysis），標(biāo)題為〈Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO₂ reduction in water〉。

論文的第一作者是來(lái)自上海有機(jī)化學(xué)研究所的于軍來(lái)博士和城大的黃麗蓓博士。通訊作者則分別是葉教授、香港大學(xué)裴達(dá)偉教授、江蘇大學(xué)杜莉莉教授以及上海有機(jī)化學(xué)研究所田佳教授。

這次研究獲得了包括中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市科技計(jì)劃以及香港研究資助局等機(jī)構(gòu)的資金支持。