科学家研究人工光合系统制氢

据国外网站报道：美国能源部（DOE）的Brookhaven国家实验室和Virginia理工大学研究出两种新型催化剂（吸收光加速化学反应的材料），这两种分子系统均具有由钌（Ru）金属离子制成的捕光中心和由单一的铑金属离子构成的催化中心。这两个中心通过促进电子从钌中心到铑催化剂转移的结构相连，能够在吸收太阳能的同时产生氢。

绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，将大气中的二氧化碳和水转化为植物生长所需的糖。科学家们为了生产环保可持续的燃料，如氢和甲醇等，一直试图人为地复制这种能源转换过程，但模仿光合作用的关键在于让特定的生物分子进行光合作用，这是一个非常大的挑战。人工光合作用需要设计一个能够吸收光、传输和分离电荷的分子系统，并催化产生燃料的反应，所有这些复杂的过程必须同步运行，才能实现较高的能量转换效率。

研发高效产氢分子系统非常困难，因为反应总是以不同的速率发生，吸收光能后带负电荷的光激发电子可能重组或者产生过多热量，从而导致系统不稳定。

研究人发现，3个钌捕光中心和1个铑催化中心形成的4金属系统在不停运转4小时后，每个催化剂分子只生成40个氢分子，相比之下，6个钌捕光中心和1个铑催化中心形成的7金属系统的效率可以提高7倍以上，它们成分组成相似，然而效率和稳定性的差距非常大。

形成电荷分离状态的能力是超分子作为良好的光催化剂的指标。实现有效的电荷分离需要微调各成分的能量，为了提高催化效率，吸收光时铑催化剂的势能必须足够低。

通过循环伏安法和电化学技术检测，科学家发现7金属系统中Rh催化剂比其在4金属系统更缺电子，从而更容易接收电子。这一结果表明，电荷转移在7金属系统中是有利的。他们验证了纳秒瞬态吸收光谱这一假设，分子被激发到强激光脉冲中，随着时间的推移测量其激发态的衰减，由此产生的光谱显示在7金属系统中只有铑的电荷转移。研究人员计划寻求拥有更高级的仪器合作者，以测量电荷准确的分离率，明确工作机理。

下一步实验中，科学家们将在光催化条件下，测量产生氢气的试剂的瞬态吸收，由激光脉冲产生的激发态会迅速接收来自试剂的电子。