【人工光合作用】（下）攻克關鍵課題“催化劑”的三個研究方向

2014年01月22日08:48

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簡單用一句話概括人工光合作用的研究，就是尋找氧化水的催化劑，和還原二氧化碳的催化劑。而且，關鍵在于催化劑要用陽光全部波長40％以上的“可見光”，而非只占不到2％的“紫外線”。

在一般的光合作用中，發(fā)揮催化劑作用的是含有葉綠素的光反應中心。而天然光反應中心的原理令人驚嘆，人工根本無法模仿。要以人工方式，達到生物在近30億年的進化中掌握的“絕技”，并不是一件容易的事情。

于是，現在出現了三個研究方向：第一是直接使用“植物功能”；第二是使用“金屬絡合物”作為催化劑；第三則是使用“半導體”作催化劑。

“直接使用植物功能”是讓植物直接完成能源轉換效率較高的光反應。比方說，提取植物葉片的類囊體膜，夾在透明薄板中，向薄板照射陽光，從水中奪取電子。而植物能源轉換效率較低的暗反應則由人工進行。

這種方法的弱點是難以維持性能�；铙w植物的反應中心每30分鐘再生1次，而這種方法無法實現組織的再生。

“使用金屬絡合物作為催化劑”最接近傳統(tǒng)的光合作用。金屬絡合物是指在結構上以金屬為中心，周圍環(huán)繞碳、氫等非金屬原子的化合物。我們血液中含有的血紅蛋白是以鐵為中心的金屬絡合物，在光合作用中充當催化劑的葉綠素是以鎂為中心的金屬絡合物。

日本首都大學東京人工光合作用研究中心特聘教授井上晴夫長年從事的也是金屬絡合物研究。1987年，井上使用以銻、錫等金屬為中心的金屬絡合物，成功地利用可見光，從水中奪取了電子。但在當時，水中還添加了促進反應的有機物。而現在，井上正致力于設計不加入添加物，只用水即可反應的金屬絡合物。

另一方面，氧化水產生氧氣最少需要從水中奪取4個電子，而在通常情況下，奪取1個電子需要1個光子。但迄今為止，這種方法一直存在一個問題，就是在完成奪取4個電子之前，金屬絡合物就會喪失作為催化劑的活性。針對這個問題，井上開發(fā)出了1個光子1次可以奪取2個電子的方法。通過采用這種方法，就向使用金屬絡合物實現人工光合作用邁進了一大步。