“人工光合作用的分子系统”

绿色植物的光合作用通过将大气中的二氧化碳和水转换成促进植物生长的糖分子，从而将太阳能转换成储存的化学能。 科学家们试图人为复制这个能源转换过程，目的是生产氢气、甲醇等环保的可持续燃料。 但是，模仿光合中心的重要功能，其中专业生物分子进行光合作用，已经显示出了挑战性。 人工光合成需要设计吸收光、传输电荷、分离的分子系统，催化产生燃料的反应，为了实现高能转换效率，需要同时执行所有复杂的过程。

目前，美国能源部( doe )布鲁克海文国立研究所和弗吉尼亚理工大学的化学家设计了两种光催化剂)吸收光后加速化学反应的物质)，将专门用于光吸收、电荷分离或催化剂的各成分合并为一个超分子。 在两个分子系统中，由钌( ru )金属离子组成的多个光捕获中心通过桥分子与由rh )金属离子组成的单一催化剂中心连接，桥分子是促进电子从ru中心向rh催化剂移动，产生氢的地方。

他们比较了氢气的生产性能，分解了超分子的物理性质。 正如6月1日在美国化学学会杂志上发表的论文中所述，要知道光催化剂为什么有6个而不是3个ru光吸收剂。 产生越来越多的氢气，并且稳定得更久。

开发高效的氢生产分子系统是很困难的。 由于过程发生的速度不同，第一作者，布鲁克海文实验室人造光合成小组的化学家gerald manbeck说。 在分离的电荷之前完成氢气的催化转换——被激发的分子吸收光能后剩下的带负电的光激发电子和正空孔——有机会重新结合产生无用的热是首要课题。

另一个多而复杂的因素是，需要两个电子来产生各个氢分子。 为了产生催化剂，系统必须在第一个电子出现之前保持足够的时间。 manbeck说，通过构建能够独立工作的多种光吸收剂超分子，提高了我们生产性地采用各电子的可能性，提高了低光条件下分子的功能。

manbeck去年和已故的karen brewer、合作经营者和博士后顾问一起在弗吉尼亚理工大学开始制造超分子。 他发现，具有3个ru光吸收中心和1个rh催化剂中心的四金属(四金属)系，仅各自的催化剂分子就生成40个氢分子，约4小时后停止运转。 相比之下，具有6个ru中心和1个rh中心的七金属(七金属)系统的效率超过7倍，循环300次产生氢气10小时。 效率和稳定性的巨大差异令人费解。 因为超分子含有非常相似的成分。

manbeck于2007年加入布鲁克海文，与共同作者人工光合成集团组长藤田幸子( etsuko fujita )进行了一系列实验，揭示了性能差异的根本原因。

藤田先生说，形成电荷分离状态的能力是超分子是否为良好光催化的一部分指标，但要实现比较有效的电荷分离，需要对各成分的能量进行微调。 为了促进催化作用，吸收剂暴露于光时，rh催化剂必须具有足够低的能量以接收来自ru光吸收剂的电子。

通过循环伏安法、显示分子内能量水平的电化学技术，科学家们发现，七金属类的rh催化剂比四元类的对应物更容易接受电子，因此稍微缺乏电子。 该结果显示，在七金属体中电荷移动有利，但在四金属系中不是。

他们利用称为纳秒瞬态吸收光谱的时间分辨率技术验证了他们的假设，其中通过强激光脉冲将分子提升到激发态，同时随时间测量了激发态的衰减。 得到的光谱表明仅在吡喃酮体系中存在ru-to-rh电荷转移。

manbeck说，这些数据不仅证实了我们的假设，而且还表明激发态电荷分离的发生速度比我们想象的要快得多。 事实上，电荷转移的发生速度比我们仪器的时间分辨率快，可能也与暂时的高能激发态有关。 研究人员计划寻找拥有更高速仪器的合作者，可以测量准确的电荷分离率，帮助明确机制。

在后续的实验中，科学家们在光催化操作条件下进行瞬态吸收测量，采用试剂作为产生氢的电子的最终源(水中可扩展的人造光合成氢燃料需要更换释放的电子和试剂)。 激光脉冲的激发态能够迅速接收来自试剂的电子。 他们发现添加的电子只存在于庚子五金系的rh中，进一步支持了循环伏安法预测的电荷向rh的转移。

manbeck说，这项事业中发现的七金属类高光催化转换和电荷分离控制的原理鼓励进一步考虑采用连接在单一催化剂网站上的多个光捕获单元。

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