近日，新能源材料與低碳技術研究院鐘地長和魯統部教授團隊在人工光合作用催化劑研究方面，取得了系列重要進展，相關成果發表在PNAS、J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.等國際綜合或化學頂級期刊上。
針對二氧化碳還原過程中質子作用不夠清楚的問題，團隊設計了四種羧基數量不同的雙核金屬配合物催化劑，發現隨著配合物上羧基數量的增加，其催化活性顯著提升。研究發現配合物上的羧基承擔了質子“接力棒”，可以加速質子轉移，從而促進二氧化碳光還原。該研究從分子水平上闡明了催化劑上的質子濃度對二氧化碳還原效率的影響規律。
針對光催化二氧化碳還原產物選擇性難以調控的問題，團隊采用原位共價生長策略，將金屬卟啉配合物固定在COF框架中，并進一步與石墨烯復合，制備了高效的二氧化碳還原復合催化劑。在含水體系中，該催化劑表現出對CO高選擇性；而在無水體系中，對HCOOH表現出高選擇性。該研究工作實現了單一催化劑對不同還原產物的高選擇性調控。
針對光催化二氧化碳還原體系大多需要貴金屬光敏劑和電子犧牲劑的問題，團隊將雙核配合物和鈣鈦礦量子點分別固定在導電MOF的通道和超薄膜表面，制備了集光敏活性、光還原活性和光氧化活性等功能于一體的超分子薄膜催化劑，實現了以水作為電子供體的高效光催化二氧化碳還原。同時通過集成10層多功能超分子膜，組裝了人工光合作用器件。這項工作為人工光合作用催化劑的應用和發展提供了新途徑。
據了解，工業化以來，能源危機和氣候惡化越來越引起人們的高度重視。利用太陽光驅動分解水制氫和二氧化碳還原制備燃料或化學品，被認為是應對上述問題的有效途徑。其中，開發高性能催化劑和揭示催化劑的構效關系至關重要。團隊進一步通過晶體相工程，構筑了MOF基COK/MIL-125復合光催化劑，該催化劑可用于高效太陽能轉化，在室溫下實現了水到氫氣的高效轉化。通過實驗和理論研究揭示了復合光催化劑在分解水制氫過程中活性提升的作用機制。該研究為開發新型的復合光催化劑提供了新思路。與此同時，以上工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、面上項目、青年項目和學校的支持。
