人工光合作用_李晓慧(5)

来源：网络收集时间：2026-10-02

导读：：（1）叶片表皮细胞的光学聚焦；（2）光波在叶脉组织多孔结构中的多次散射与吸收；（3）光波在维管束鞘细胞管状平行结构内的传输；谱，高效地光解水制氢或固定CO2制造有机物。虽在上述两个人工然经过科学家多年

：（1）叶片表皮细胞的光学聚焦；（2）

光波在叶脉组织多孔结构中的多次散射与吸收；（3）光波在维管束鞘细胞管状平行结构内的传输；

谱，高效地光解水制氢或固定CO2制造有机物。虽在上述两个人工然经过科学家多年的探索和积累，

光合作用的研究域取得了较大进展，不过目前还存在一些尚未解决的问题：

（1）模拟自然光合系统PSⅡ设计合成超分子方面，虽然研究者已经制备了一系列结构和功能接近PSⅡ的光催化系统，但是其自我修复能力、电子转移速率和光催化效率均未达到自然光合作用系统还需要进一步探索和改进。模拟氢化酶方的水平，

面存在更大的问题，相比光合作用研究者对氢化酶研究和表征手段的局限性导致氢化酶的关注较晚，

的制氢原理至今尚未完全明晰，还需要结合理论计算和人工模拟在今后的研究中进一步探索。

（2）无机半导体光催化体系的催化理论及制备方法相对成熟，已经设计并制备出一些催化效率较高的体系。但是高效率的体系往往需要用到贵金属，导致体系成本较高，如何用廉价催化剂制备高效光催化系统是一大问题。另外可见光的利用率也没有达到自然光合系统的水平。

对应不同的光合作用系统，需要解决的问题也不过成本、稳定性、自我修复能力和整体不尽相同，

效率是普遍关注的问题。针对这些问题，后续的工作可以从下列几个方面来开展：

（1）继续深入研究自然界的光合作用过程及氢从理论计算、物理化学化酶催化质子还原产氢过程，

进一步总结和验证表征和合成模拟三个角度出发，

其光催化反应机理。然后从自然界中寻找思路，模仿自然，设计更精巧高效的光催化体系，提高体系寿命和自我修复能力。同时加强无机半导体材料基础领域的研究，尤其是光生电荷分离、传输等微观过程机理研究，为催化剂设计提供理论基础

［102］

低成本；再者要积极尝试并寻找贵金属助催化剂的降低成本。替代品，

（4）自然界的光合作用利用的都是在太阳光谱中占大部分的可见光，虽然人工光合作用在可见光的利用方面已经获得了很大的进步，但是还远未达到自然界的水平。这可以通过用带隙较窄的半导体或通过染料敏与常用半导体构建复合光催化体系，

化来实现。不过在染料敏化人工光合作用体系中，要寻找合适的方法提高染料与半导体材料之间的电子传递，可以通过模拟自然界光合系统结构，构建施主-受主多步电子迁移系统，提高光敏剂光生电子向减少激子复合，从而增强染料电子受体的迁移速率，

与基体材料之间的电子传递，最终提高量子效率

［30，31］

。

（5）氢能作为最理想的能源之一，是人工光合作用的目前研究的主要方向，但是光解水制氢要想不仅需要较高的产氢效真正达到产业应用的水平，

还需要高效安全的储氢材料。Cheng等率，

［138］

在储

氢材料领域的很多前瞻性研究表明要想获得性能优异的储氢材料，还需要深入了解储氢原理，并设计合成具有独特纳米结构和成分的材料。

综上所述，要提高人工光合作用体系的整体性能，还需要根据不同体系的不同情况，对各个环节进行深入研究，并综合考虑能量转换效率、整体成本、对整个太阳光谱的利用率等因素设计构建合理体人工光合系。作为一种新型的利用太阳能的方法，作用的应用领域非常广泛：人工光合作用体系制备固定CO2生的H2可直接用于内燃机和燃料电池，

成的碳水化合物可以作为燃料直接使用，或作为基础化学品应用于化工行业。随着研究的不断开展，光化转换效率的不断提高，人工光合作用体系将逐并在未来成为一种重要的太阳能转步实现商业化，

换方式和新能源制备途径。

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（2）对现有高效催化剂体系进行总结归纳，并据此继续开发新型半导体催化剂体系：如学习自然光合作用系统的Z字型反应模式设计多步多元催化体系，以及用双助催化剂促进光生电子和空穴的分离都是新发展起来的一些提高整体光催化性能的方法并获得了很高的催化效率。后续工作还可以尝试用不同的半导体材料套用这些新的思路来设计不同的光催化系统，以求获得良好的光催化效果。

（3）在提高光催化效率的同时还要力求降低成本。要想达到产业应用的水平，人工光合作系统不还必须具有较低的成仅需要具备高效的催化能力，

本。这可以通过改进合成方法，尝试低温合成或使用较廉价的反应物制备催化体系，达到合成过程的

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