低光强度突破：人工光合作用电荷储存难题获重大进展

抖音推荐 2025年08月27日 01:19 1 admin

信息来源：https://www.myscience.org/en/news/2025/chemists_develop_molecule_for_important_step_toward_artificial_photosynthesis-2025-unibas

人工光合作用领域长期面临的核心技术瓶颈——多电荷分离与稳定储存——终于迎来关键突破。巴塞尔大学研究团队设计的创新分子系统成功在接近自然阳光强度的条件下实现四电荷储存，这一成就标志着太阳能燃料生产技术向实用化迈出决定性步伐。该分子通过两次温和闪光激发即可同时容纳两个正电荷和两个负电荷，储存时间足以驱动后续化学反应，彻底改变了以往需要极强激光才能实现电荷分离的技术局限。

这项发表在《自然化学》的研究解决了人工光合作用面临的根本性挑战。自20世纪70年代石油危机以来，科学家们一直在探索如何模拟植物光合作用过程，利用太阳能直接生产氢气、甲醇等清洁燃料。然而，实现多个电荷的同步分离并维持稳定状态一直是技术发展的最大障碍。传统方法要么需要超出实际应用范围的强烈光照，要么无法维持电荷储存的持久性。

Oliver Wenger教授及其博士生Mathis Brändlin采用的分步激发策略代表了思维方式的根本转变。他们摒弃了试图通过单次强光同时产生所有电荷的传统做法，转而采用渐进式电荷累积模式。这种方法的核心优势在于大幅降低了每次激发所需的光强度，使系统能够在更接近实际环境条件的光照下正常运行。

分子工程学的精密设计

与自然光合作用一样，新分子会暂时储存两个正电荷和两个负电荷。（插图：Deyanira Geisnæs Schaad）

新分子的五模块架构体现了分子工程学的精密设计理念。研究团队将功能严格分区：两个电子供体模块负责释放电子并形成正电荷中心，两个电子受体模块专门捕获电子并建立负电荷区域，中央光敏模块则充当能量转换和电子传递的控制中心。这种模块化设计不仅确保了功能的专一性，更重要的是实现了电荷的空间分离，有效防止了不同电荷之间的快速复合。

电荷分离的空间距离控制是维持系统稳定的关键技术要素。通过精确调控分子内各功能模块的相对位置，研究人员成功将正负电荷定向分布到分子的相对两端，最大化了电荷间的物理距离。这种空间配置显著降低了库仑相互作用强度，延长了电荷的存在时间，为后续催化反应创造了必要的时间窗口。

分子内电子传递路径的优化同样体现了设计的巧妙性。研究团队通过调节各模块间的能级差异和电子耦合强度，确保电子能够沿着预设路径从供体向受体定向流动，同时避免了逆向电子转移导致的能量损失。这种单向电子流动机制是实现高效能量转换的基础。

实验结果显示，该分子系统在室温条件下表现出优异的电荷储存性能。四个电荷的同时存在状态能够维持足够长时间，满足驱动水分解或二氧化碳还原等关键反应的时间要求。更重要的是，系统展现出良好的循环稳定性，能够经受多次充放电循环而不发生显著的性能衰减。

产业化前景与技术挑战

当前研究成果为太阳能燃料生产技术的产业化发展奠定了重要基础。全球氢能市场规模预计将从2023年的1550亿美元增长到2030年的4100亿美元，年复合增长率达15%。在这一快速增长的市场中，基于人工光合作用的氢气生产技术有望占据重要地位，特别是在分布式能源系统和偏远地区应用方面具有独特优势。

欧盟的绿色新政将氢能确定为实现碳中和目标的关键技术路径，计划到2030年安装40GW电解制氢产能。美国的清洁氢能计划同样设定了雄心勃勃的发展目标，将投入90亿美元支持氢能技术创新和基础设施建设。中国的氢能产业发展中长期规划提出到2035年形成氢能产业体系，年产氢量达到1000万吨。在这样的政策环境下，人工光合作用技术的商业化前景十分广阔。

然而，技术产业化仍面临诸多挑战。首要问题是整体能量转换效率的提升。虽然电荷储存环节取得突破，但从光能到化学能的完整转换链条仍需优化。天然光合作用的整体效率约为1-2%，而目前最先进的人工光合作用系统效率通常在0.5%以下。要实现商业可行性，系统效率需要提升到5%以上。

催化剂的开发是另一个关键技术瓶颈。储存的电荷需要通过高效催化剂转化为有用的化学产品，而当前的催化系统往往依赖铂、钌等贵金属，成本高昂且储量有限。开发基于地球丰富元素的替代催化剂是实现成本控制的必要条件。近年来，基于钴、镍、铁等廉价金属的催化剂研究取得显著进展，为解决这一问题提供了希望。

系统集成和工程化也是产业化过程中的重要考量。实验室的分子级系统需要扩展到工业规模，这涉及反应器设计、传质传热优化、产物分离纯化等多个工程技术环节。此外，系统的长期稳定性和耐久性也需要在实际运行条件下得到验证。

尽管面临挑战，研究团队对技术前景保持乐观。Wenger教授表示："我们已经识别并实现了这个难题的一个重要部分。"随着相关技术的不断成熟，人工光合作用有望在未来10-15年内实现商业化应用，首先在特定利基市场取得突破，然后逐步扩大应用范围。

这项研究的意义不仅在于技术层面的突破，更在于为可持续能源发展提供了新的思路和方向。在全球气候变化加剧、能源转型加速的背景下，人工光合作用技术代表了人类对清洁能源技术创新的不懈追求，为实现碳中和目标贡献了重要的技术路径。

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