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光合作用，通常是指绿色植物(包括藻类)吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。因此，科学界期望能够研究人工光合作用，以促进大气中的碳-氧平衡。为了模拟这一绿色的转化途径，科学家将不同功能且能带匹配的半导体相结合，设计构建兼具氧化还原活性的半导体异质结光催化剂来完成人工光合作用(即耦合光驱动CO2还原和水氧化反应)。

异质结光催化剂是为了克服单一光催化剂存在光生空穴和电子容易复合，光生空穴和电子氧化还原能力有限等问题的缺陷而研制的。然而，由于异质结材料具有多相杂化、非周期性分布和复杂的结构等特征，很难在分子水平上探索精准的催化机理并建立对应分子级结构-性能关系。这不利于进一步指导高效全反应催化剂的设计合成。此外，异质结材料难以精确设计和调整结构中氧化和还原组分不同连接方式和空间排列，因此很难系统地研究这些因素对光催化性能的具体影响。

华南师范大学化学学院兰亚乾教授和刘江教授的研究团队为了解决这一难题，提出利用具有氧化还原活性的晶态结构基元构建周期性分布的氧化-还原(OR)分子结光催化剂。研究团队利用氧化型多酸簇(PMo12)和还原型金属-有机簇(Ni5)以直接(d-OR)、交替(a-OR)或对称(s-OR)方式，合成了三种分子结化合物。与预期相符，这三种分子结化合物均可以实现人工光合作用。值得注意的是，这些具有单相周期性分布的晶态催化剂明显改变和丰富了传统异质结中已发现的光生电荷迁移方向和路径，从而提高了光生电子和空穴的分离效率。

特别是s-OR中的展现出的对称电荷迁移模式，与传统的异质结模型相比，可以更有效地抑制光生电荷复合，从而大大提高光催化性能。结构分析和密度泛函理论计算表明，通过调整氧化簇和还原簇的空间排列，可以同步调节这些OR分子结光催化剂的能级、轨道排布和光生电荷迁移模式，从而进一步优化光催化性能。OR分子结体系的建立为提高人工光合作用中光生电荷利用效率提供了开创性的思路和解决方案。

相关研究Molecular oxidation-reduction junctions for artificial photosynthetic overall reaction发表于美国《国家科学院院刊》。

参考来源：中国科学报

关键词： 光合作用 光催化剂 华南师范大学