吴骊珠团队人工光合成制氢研究获进展

吴丽珠

■我们的记者杨琦

超分子光化学研究小组开发了这种高效催化剂。光一被照射，氢就产生了，当光被停止时，氢也停止了，当氢被再次照射时，氢又会出来。一旦进入战场，催化剂就不再“牺牲”。

利用阳光分解水产生氢气一直被认为是“化学的圣杯”最新的研究结果表明，中国科学院物理与化学技术研究所(以下简称物理与化学技术研究所)的研究员吴丽珠团队在通往这个圣杯的道路上迈出了至关重要的一步。

“我们的超分子光化学研究团队利用量子点这一新的‘人工原子’设计并合成了一种人工光催化剂，并建立了一种利用量子点和廉价催化剂制备人工光催化剂的方法。”吴丽珠在接受《中国科学》采访时说。

通过这种方法，超分子光化学研究团队获得了一种高效、稳定、廉价的人工光催化剂，并在利用太阳能进行可见光催化制氢的研究中取得了突破性进展。

“化学的圣杯”

在能源短缺和环境污染的双重力量下，氢能早已被纳入各国科学界的重点突破领域。许多科学家甚至认为，如果太阳能光催化分解水能够实现大规模制氢，人类将能够从根本上消除环境污染，缓解能源短缺。

“因为氢的燃烧热是汽油的3倍，所以它可以用于燃料电池。同时，氢气具有很高的还原活性，可用于新型原位还原反应。就像自然界的光合作用一样，水和二氧化碳被转化成碳水化合物，如葡萄糖。吴丽珠向《中国科学》记者描述了氢能利用的光明前景。

长期以来，世界各地的科学家试图用各种化学合成方法来制造类似光合作用的人工结构，但结果非常不令人满意——人工合成的结构在光照后不能产生氢气。

“我们可以组装光吸收单元和人工模拟的氢化酶催化中心来构建人工合成的光催化剂，看看是否可以产生氢气？”具有多年光化学研究经验的吴丽珠一直在思考这个问题。2006年，她带领团队开始了艰难的探索。

需要勇气的实验。

2009年，吴丽珠带领团队将电池单元与催化单元连接起来，最终解决了传统方法不能产生氢气的问题。

"在实验中，我们将光照射在人工构建的催化剂上，最终产生了氢气！"这个结果让吴丽珠和她的团队成员非常兴奋。

但接下来又出现了另一个令人头痛的问题:催化剂一旦暴露在光线下就会被“牺牲”。

“催化剂的制备需要高水平的合成技能。生产一点催化剂需要时间和努力，但观看催化剂在战斗中牺牲的场景是非常痛苦的。”“这需要研究人员非常勇敢，敢于为进一步的探索牺牲宝贵的成果，”吴丽珠回忆实验的点滴时说。

虽然相关论文的发表过程并不顺利，但经过国内外同行的反复验证，吴丽珠对自己选择的方向和方法更有信心。

"国际同行的结果是非常“咬”的。"吴丽珠说。为此，她和她的学生们做了充分的心理准备。“这个领域的国际竞争非常激烈，我们需要时间让每个人都了解我们。”

从“精致”到“真实”

尽管取得了很好的成就，超分子光化学团队并没有就此止步。

"我们面临的问题是制氢的效率仍然不高."吴丽珠说。

他们发现，制氢效率的催化转化数TON小于1，也就是说，一个催化剂分子产生的氢分子数小于1。

随之而来的疑问是——尽管人工光合作用产生的氢气“看起来很美”，但拥有它的成本仍然太高。这是一项实用的科学研究吗？

“这也是我们团队一直在思考的一个问题。”她说。

如何持续实现这些人工光合制氢催化剂的能力是他们的目标。天然氢化酶选择便宜的金属铁和镍。在了解了氢化酶在光合作用中的作用原理后，吴丽珠带领研究人员思考并试图制备高效但不“脆弱”的人工光合作用催化剂。

为了达到这个目标，他们必须学习新知识。

幸运的是，超分子光化学研究小组已经开发出这种高效催化剂。“光一照射到氢气，它就会产生。当灯熄灭时，氢气也会停止。当光再次被照射时，氢会再次出来。一旦进入战场，催化剂将不再被“牺牲”吴丽珠说。

“精致”催化剂终于“皮实”。“这应该是一个实际的结果。我们已经申请了国际和国内专利保护。”吴丽珠说。

探索仍在继续。“我们应该回头看看还存在什么问题，不断完善人造光合成系统。”她说。

《中国科学新闻》(第六版进展，2014年4月21日)