Nat.Chem.|人工光合成研究取得新進展

中國科學技術大學江海龍教授團隊聯合羅毅教授和江俊教授團隊在人工光合成研究中取得新進展。研究成果以“Dynamic structural twist in metal–organic frameworks enhances solar overall water splitting”為題，于8月12日在線發表在《自然·化學》（Nature Chemistry）上。應期刊編輯邀請，研究團隊、審稿人和編輯共同撰寫的研究簡報（Research briefing）也在線刊登，期刊審稿人和編輯對該工作給予高度評價，稱我們提出了一個“新穎、顛覆性的概念”（a novel and disruptive concept），并認為這為未來發展更高效的光催化劑提供了“令人激動的進展”（an exciting development）。

光催化全水分解制取氫氣被視為化學領域的“圣杯”反應，其中一個主要限制瓶頸是光催化過程中的電子和空穴極易復合。為了抑制這種復合現象，研究者們已發展了許多策略。然而，這些經典策略多集中于催化劑的基態結構，而電子和空穴的復合則發生在激發態。自然光合作用中，電子在轉移過程中光合蛋白通過構象變化來穩定電子，保證其長距離傳輸。受此啟發，研究團隊基于人工光催化劑在接受電子后發生激發態結構變化，以穩定光生電子并延長其壽命，從而實現光催化的全解水反應。

基于上述理念，研究團隊選擇了一種名為CFA-Zn的金屬有機框架材料（MOFs），成功通過激發態結構變化延長了光生載流子的壽命，進而實現了高效的光催化全解水反應。CFA-Zn由閉殼層的Zn節點連接兩種化學上相同但晶體學上不同的柔性有機配體組成。兩種晶體學不同的有機配體分別作為電子供體和受體，而Zn的閉殼層結構確保了兩種配體間的化學絕緣。以上特征使CFA-Zn能夠創造類似植物體中動態柔性的化學微環境，通過激發態結構變化穩定激發態電子并延長其壽命。

圖：通過激發態結構扭曲促進電荷分離實現光催化全水分解

近年來，江海龍教授團隊圍繞催化中心微環境調控方面取得了系列進展。特別是利用MOF催化劑獨特的柔性結構，創造柔性自適應催化位點，實現高選擇性CO2光還原到CH4（Nat. Catal. 2021, 4, 719等）。本次研究是在前期工作基礎上借助動力學結構的MOF光催化劑，抑制了輻射弛豫過程，為光化學反應提供了新的視角與啟示。

該論文共同第一作者是中國科大博士后孫康和特任副研究員黃炎，江海龍教授和江俊教授為共同通訊作者。羅毅教授為論文提供了建設性的意見與指導。張群教授團隊為超快光譜測試、鄭旭升教授團隊為同步輻射測試、大連化物所范峰滔研究員為表面光電壓測試等提供了重要支持。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省、中國科大、博士后基金和小米公益基金會的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01599-6