吳驪珠團隊人工光合成制氫研究獲進展

吳驪珠

超分子光化學研究團隊研制出了這種高效催化劑。光一照射氫氣就產生，光照停止氫氣也停止，待再照射時氫氣又出來了。催化劑不再一上陣就“犧牲”。

　　利用太陽光分解水制氫，長久以來被視為“化學的圣杯”。最新成果顯示，中國科學院理化技術研究所(以下簡稱理化所)研究員吳驪珠團隊在摘取這只圣杯的道路上，邁出了關鍵性的一步。

　　“我們超分子光化學研究團隊利用量子點這一新興‘人工原子’設計合成了人工光合成催化劑，建立了通過量子點和廉價催化劑制備人工光合成催化劑的方法。”吳驪珠在接受《中國科學報》記者采訪時說。

　　借此方法，超分子光化學研究團隊獲得了高效、穩定、廉價的人工光合成催化劑，在利用太陽能實現可見光催化制氫的研究上取得了突破性進展。

　　“化學的圣杯”

　　在能源短缺和環境污染的雙重倒逼下，氫能早已被納入各國科學界的重點突破領域。許多科學家甚至認為，如果能實現太陽能光催化分解水大規模制取氫氣，人類將有可能從根本上消除環境污染，緩和能源緊張形勢。

　　“因為氫氣的燃燒熱是汽油的3倍，可以用在燃料電池上。同時氫氣具有高還原活性，可以用在新型的原位還原反應上。就像自然界光合作用一樣，將水和二氧化碳轉化為碳水化合物，比如葡萄糖等。”吳驪珠向《中國科學報》記者描繪著氫能利用的美好未來。

　　長久以來，世界各國的科學家嘗試用各種化學合成的方法做出類似光合作用的人工結構，但是結果卻非常不理想——人工合成的結構在光照后始終無法產生氫氣。

　　“我們能不能將吸光單元和人工模擬的氫化酶催化中心組裝起來，構建一個人工合成的光催化劑，看看可否產生氫氣?”有多年光化學研究經歷的吳驪珠一直在思考這個問題。2006年，她帶領團隊開始了艱辛的探索。

　　2009年，吳驪珠帶領團隊將一個細胞單元與一個催化單元進行連接，終于解決了傳統方法不產氫氣的難題。

　　“在實驗中，我們將光照射在人工構筑的催化劑上，氫氣終于產生了!”這個結果令吳驪珠和她的團隊成員們極為振奮。

　　但緊接著令人頭疼的問題又來了：催化劑一受光照便立刻“犧牲”了。

　　“催化劑的制備對我們的合成功底要求很高，耗時耗力好不容易產出一點點催化劑，可是卻要眼睜睜地看著催化劑上陣就犧牲的場景，非常心疼。”吳驪珠回憶起當年實驗時的點滴時說，“這要求科研人員非常勇敢，敢于犧牲珍貴的成果去進一步探索。”

　　盡管相關論文的發表過程并非一帆風順，但是當實驗數據不斷被國內外同行反復驗證后，吳驪珠對自己選擇的方向與方法更具信心。

　　“國際同行的成果‘咬’得很緊。”吳驪珠說。對此，她與學生們作好了充分的心理準備，“這一領域的國際競爭非常激烈，我們需要時間讓大家認識我們”。

　　盡管取得了不錯的成績，但是超分子光化學團隊并未就此止步。

　　“我們面臨的難題是產出氫氣的效率依然不高。”吳驪珠說。

　　他們發現，產氫效率的催化轉化數TON值還不到1，也就是說一個催化劑分子產生氫氣的分子數小于1。

　　疑慮隨之而來——盡管人工光合制氫“看上去很美”，但是擁有它的代價卻依然太高，這會是一個實用的科學研究嗎?

　　“這也是我們團隊一直思考的問題。”她說。

　　如何將這些人工光合制氫催化劑的能力不斷貫徹，研制長壽、耐用、廉價的催化劑是他們的奮斗目標。自然界氫化酶選擇了廉價金屬鐵與鎳。吳驪珠帶領科研人員在理解了光合作用中氫化酶的作用原理后，思考并嘗試制備高效但不“嬌嫩”的人工光合成催化劑。

　　要完成這個目標，他們必須學習新知識。

　　幸運的是，超分子光化學研究團隊研制出了這種高效催化劑。“光一照射氫氣就產生，光照停止氫氣也停止，待再照射時氫氣又出來了。催化劑不再一上陣就‘犧牲’。”吳驪珠說。

　　“嬌嫩”的催化劑終于“皮實”了起來。“這應該是一個實用的結果，我們為此申請了國際和國內的ZL保護。”吳驪珠說。

　　探索還在繼續。“我們應該回過頭看看還有哪些問題存在，不斷完善人工光合成的體系。”她說。