能源是人类社会赖以生存的物质基础，是经济和社会发展的重要资源。大规模开发利用化石能源迅速消耗着地球亿万年积存的宝贵资源，同时引起气候变化、生态破坏等严重的环境问题。寻找新的、清洁环保、可再生能源是实现人类社会可持续发展的当务之急。氢是一种清洁、高效的能源载体，在燃烧时生成水，不产生污染物。氢化酶是存在于自然界微生物体内的一种氢气还原生物酶。自然界光合作用是利用光诱导电子转移所生成的长寿命电荷分离态将光能固定，最终实现太阳能高效大规模向化学能的转换，其中氢化酶活性中心能够利用所获电子高效催化质子还原为氢气，实现无污染的放氢过程。
为了探索利用太阳能高效催化制氢的新途径，中国科学院理化技术研究所超分子光化学课题组深入开展了多个模拟氢化酶功能体系构建和催化机理的研究。在温和的条件下，高效、高产率地合成了一系列结构多样的新型氢化酶模拟化合物；构筑了第一个人工模拟铁氢化酶光致产氢的分子催化剂；利用自组装将光敏剂与铁氢化酶模拟化合物引入水相，模拟还原了自然界氢化酶的产氢环境；在国际上率先突破了铁氢化酶模拟化合物稳定性差、催化效率低的瓶颈，实现了太阳光驱动铁氢化酶模拟化合物的水相高效产氢，构筑了高效、稳定、廉价的模拟酶光催化产氢新体系，获得了目前铁氢化酶模拟化合物光催化体系的最高产氢效率，从分子水平上揭示了模拟铁氢化酶体系的光催化产氢机理。例如：通过界面组装的方法将铁氢化酶模拟化合物组装到水溶性CdSe量子点的表面，成功制备的水溶性模拟铁氢化酶光催化剂在光照80小时产生氢气的催化转化数（TON）和催化速率（TOF）高达8781和596h-1；通过共价键的方式将铁氢化酶模拟化合物挂接在水溶性高分子（PAA）骨架上，以CdSe量子点和PAA聚合物催化剂构筑的光催化体系光照8小时TON达到27135，初始产氢速率TOF达3.6s-1，是目前铁氢化酶模拟化合物光催化产氢的最高效率；通过分子自组装将铁氢化酶模拟化合物和CdTe量子点包裹在壳聚糖中，模拟铁氢化酶催化活性中心所处的蛋白环境对催化产氢行为的影响，研究发现壳聚糖光催化产氢体系的稳定性显著提高，与相同条件没有壳聚糖存在的体系相比，催化产氢活性提高了4000多倍，TON高达52800。这些研究结果对于发展太阳能光催化制氢体系意义重大。相关研究成果发表在国际一流期刊《能源环境与科学》(Energy & Environmental Science)、《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)和《自然通讯》(Nature Communications)上，并被选为Energy & Environmental Science第九期内封面文章向读者重点推荐。
理化所在模拟铁氢化酶化合物光催化产氢的研究取得突破性进展
相关研究工作得到了科技部国家重点基础研究计划、国家自然科学基金委重大项目、面上项目、中国科学院知识创新项目及太阳能行动计划的大力支持。
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