可持續(xù)化學(xué)的目標促使化學(xué)家在化學(xué)反應(yīng)中使用可再生能源，最大限度地減少危險廢物，并最大限度地提高原子經(jīng)濟性。大自然提供了光合作用的藍圖，在光合作用中，二氧化碳和水在陽光照射下產(chǎn)生碳水化合物。

然而，由于依賴于涉及多種酶和光收集天線的復(fù)雜系統(tǒng)，該過程本質(zhì)上具有較低的太陽能轉(zhuǎn)換效率。人工光合系統(tǒng)一直是一個長期的科學(xué)追求，并為可持續(xù)化學(xué)提供了潛在的解決方案。

由林文斌教授領(lǐng)導(dǎo)的芝加哥大學(xué)研究小組一直致力于開發(fā)使用框架材料的人工光催化系統(tǒng)?？蚣懿牧鲜且活愑山饘俸陀袡C構(gòu)建塊周期性結(jié)合形成的多孔材料。

通過使用尖端技術(shù)來表征這些材料，研究人員對這種人工系統(tǒng)在分子水平上的功能有了深入的了解。這些知識使他們能夠?qū)Σ牧线M行微調(diào)，以適應(yīng)各種光驅(qū)動反應(yīng)。

在2024年9月13日發(fā)表在《碳未來》(Carbon Future)雜志上的一篇微型綜述中，研究人員總結(jié)了他們在人工光合作用和光催化方面的最新成就，強調(diào)了關(guān)鍵進展和未來機遇。

林文斌教授說:“大自然在生物體中進行精確的化學(xué)反應(yīng)，以制造復(fù)雜的分子，往往是以犧牲效率為代價。”

“我們需要超越自然來應(yīng)對我們今天面臨的挑戰(zhàn)，幸運的是，通過對框架材料的結(jié)構(gòu)和組成的精確控制，我們已經(jīng)開發(fā)出了明顯優(yōu)于同類類似物的人工系統(tǒng)?！?/p>

這篇綜述說明了框架材料的化學(xué)修飾如何在類光合作用反應(yīng)中微調(diào)它們的性能。

為了實現(xiàn)這些目標，團隊確定了基本組件并驗證了它們的角色。光敏劑，如葉綠素，吸收光能。催化劑，像酶一樣，利用這種能量來驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。這些光敏劑和催化劑與精心匹配的能量和電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)被納入框架材料。

林解釋說:“在框架材料中加入正確的光敏劑和催化劑，可以比溶液中光敏劑和催化劑的簡單混合物提高一個數(shù)量級以上的性能。”

該團隊展示了使用這些材料在十幾種類型的光催化反應(yīng)中的顯著改進。這種增強源于“預(yù)組織”效應(yīng)，在自然系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，即光敏劑和催化劑被安排在特定位置以促進化學(xué)反應(yīng)。

骨架材料很容易通過離心或過濾從反應(yīng)混合物中回收?；厥盏牟牧嫌糜诤罄m(xù)反應(yīng)而不損失催化活性。在一個例子中，框架材料在一鍋合成心臟強直劑的八個循環(huán)中使用，而催化性能沒有退化。

林說:“我們相信這一突破在可持續(xù)合成藥物和其他增值產(chǎn)品方面具有巨大潛力，這些研究努力將有助于實現(xiàn)更可持續(xù)的未來。”

“我們在這里學(xué)到的原則可以應(yīng)用于許多其他系統(tǒng)?！毖芯啃〗M希望他們的研究成果能激勵其他研究人員在分子水平上合理設(shè)計其他催化材料。

第一作者范英杰博士。1924年，現(xiàn)在是加州大學(xué)伯克利分校的博士后學(xué)者)。