人工光合作用_李晓慧

第23卷第9期2011年9月

化学进展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol．23No．9Sep．2011

人工光合作用

李晓慧

范同祥

＊＊

*

（上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室

摘

要

上海200240）

人工光合作用是模拟自然界的光合作用过程，设计制备人工光催化体系，以达到高效吸收、转

综述了国内外人工光合作用的最新研究进展。化和储存太阳能的目的。本文从自然界的光合作用过程出发，

从基本原理、常用体系和能量转换效率等方面入手，系统介绍了两种人工光合作用体系：模拟自然光合作用分析当前研究中存在的问题，并提出改进能量转换效系统的超分子和无机半导体光催化体系。在此基础上，

率的可能对策，最后评述了人工光合作用的发展趋势和应用前景。

关键词

人工光合作用

光解水制氢

超分子

无机半导体

281X（2011）09-1841-13文章编号：1005-中图分类号：O643.36；Q811.7；TQ034

文献标识码：A

ArtificialPhotosynthesis

LiXiaohui

FanTongxiang＊＊

（StateKeyLabofMetalMatrixComposites，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China）Abstract

Artificialphotosynthesisisanew，effectiveandeco-friendlywaytoutilizesolarenergyby

mimickingthenaturalprocessofphotosynthesis，throughwhichplants，algaeandmanyspeciesofbacteriaobtainenergybyconvertingsunlight，waterandcarbondioxideintocarbohydratesandoxygen．Splittingwaterintohydrogenandoxygenthroughsunlightenergyisalsoreferredtoasartificialphotosynthesis．Therearetwotypesofartificialphotosynthesissystems（APS）：thefirstoneissupramolecularmimickingnaturalphotosystem'sstructuralandfunctionalfeatures；andthesecondoneisartificialphotocatalyticsystemsbasedoninorganicsemiconductormaterials．Thisarticlereviewsthelatestdevelopmentsofartificialphotosynthesisafterabriefintroductiontonaturalphotosynthesis．Fromthepointofviewofbasicprinciple，commonlyusedsystemsandenergyconversionefficiency，thisarticlesystematicallyintroducesthetwotypesofartificialphotosynthesis，amongwhichanewresearcharea，morph-geneticmaterials，isdevelopedininorganicsemiconductorphotocatalyticsystemswiththegoalofachievingefficientAPSintegratedwithhierarchicalporousstructuresinnature．However，somepropertiesoftheAPS，includingstability，self-repairability，lifetimeandoverallenergyconversionefficiency，stillneedtobeimproved．Finally，somepossibleapproacheswhichmightbehelpfultoimprovetheAPS'overallqualityareproposed，andtheprospectiveonthefuturedevelopmentandapplicationistentativelydiscussed．

Keywords

artificialphotosynthesis；photocatalytichydrogenevolution；supramolecular；semiconductor

233.1

NaturalphotosynthesisSupramolecular

SupramolecularmimickingPSⅡ

Contents

1

Introduction

收稿：2010年11月，收修改稿：2011年2月

*国家自然科学基金项目（No．50972090）、上海曙光学者计划项目（No．08SG015）和上海市科技启明星项目（No．01QH1401300）资助＊＊Correspondingauthor

e-mail：txfan@sjtu．edu．cn

3.244.14.24.35

Iron-onlyhydrogenasemimicsAPSbasedoninorganicsemiconductorAPSbasedonTiO2

APSbasedonothersemiconductormaterialsAPSwithmorph-geneticmaterialsConclusionandoutlook

2自然界的光合作用

自然界光合作用的场所是植物、藻类和某些细

菌，它们能在可见光的照射下，将CO2和H2O（对细菌来说是H2S和H2O）转化为有机物，并释放出O2（细菌释放H2）。式1为产氧光合作用的总反应式

［5］

1引言

能源是人类生存和发展的基础，随着社会的不

：

6H2O+6CO2�仭鶦6H12O6+6O2

light

（1）

断进步，全球能耗也在逐年增加，据预测到2050年

［1］

世界能源需求量将达到2000年的两倍。同时化

对绿色植物来说，光合作用可分为光反应和暗光反应两个阶段：光反应在叶绿体类囊体膜上进行，照是其必要条件；暗反应主要在叶绿体基质中进行，是一系列酶促反应，单纯的暗反应无需光照合作用的具体过程如下：

（1）光子捕获和色素激发：叶绿素是高等植物体内最重要的光合色素，它在可见光部分有两个吸收区：红光区与蓝光区，叶绿素吸收该范围内的可见光后会被激发到高能激发态

［13］

［15］

石能源的大量使用带来了一系列环境和生态问题，CO2的大量排放已导致严重的温室效应，并引起全球性的气候变化

［2］

。光

。作为可持续发展的关键部分，

清洁新能源的开发已引起各国政府的重视。目前人类使用的能源最终都来自太阳（核能除外），相比其他新能源（水能、风能、核能等），太阳能具有储量巨无地域限制、清洁无污染等优势，因而成为新能大、

源开发研究的重点

［1］

。

［16］

。

：（1）光热转换早已深入到日

（2）激发态能量传递：处于激发态的色素分子或“共振传递”的方式可以通过“激子传递”素分子，并返回基态。

（3）反应中心电荷分离和原初反应（光能→电能）：经过快速传递，激发态能量很快到达反应中心，激发反应中心色素分子，产生电荷分离，并引发原初反应。原初反应的实质就是光照引起的反应中心色素分子与原初电子受体间的氧化还原反应子受体结合，并依次进行后续反应。

（4）电子传递和光合磷酸化（电能→活跃的化学能）：原初反应后，高能电子会在光合膜上依次传递。对于高等植物，电子传递是在两个光系统（PSⅡ和PSⅠ）串联配合下完成的，电子传递体按氧化还原电位高低排列，使电子传递链呈“Z”字形（图1）［5］。电子传递的结果一方面引起NADP+的还原，生成NADPH；另一方面建立了跨膜的质子动启动了光合磷酸化，形成ATP。力势，

（5）放氧过程：水的氧化反应是植物光合作用特有的反应，主要在PSⅡ中进行。原初反应后，PSⅡ需要从水中夺取电子以补充色素中心失去的电子，这个工作是由PSⅡ中的放氧酶完成的，最新

［17］

。在研究发现，放氧酶包含了一个Mn4OxCa簇

［16］

目前太阳能利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种方式

［3］

，将

激发能迅速传递给相邻的处于基态的同种或异种色

如热水器、温室、太阳灶和高温炉等，但转常生活中，

换后的热能难以有效运输；（2）光电转换最为方便实用，它可将太阳能转换成通用的电能，方便储存、运输和使用，但其转换效率仍待提高；（3）光化转换包含光合作用、光电化学作用、光敏化学作用和光分解反应。其中光合作用是自然界物质循环和能量获

［4］

经过数十亿年的演变，光合作用取的重要环节，

。

反应中心电荷分离后，产生的电子会直接与原初电

系统都具有非常优良的结构功能特性和较高的能量转化效率

［5］

。

［6，7］

早在20世纪80 …… 此处隐藏：3396字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……