人工光合成是现代科学的“圣杯”。实际上，只借助在地球上均匀分布的太阳能辐射高效生产可用作燃料的高含能化学物质将为现代社会带来革命，提供几乎永不枯竭的能源。

人工光合作用代表了太阳能燃料生产的未来，这一概念的关键不是对自然系统的生物体外精确重现。这在一定程度上过于复杂并且效率低下，而我们的工作恰恰是掌握和改变这些原理，使其成为更小、更简单、更强大和更高效的人造阵列组合。

根据仿生学，光致氢气的产生需要功能分子或材料的模块化组织，以解决如下基本问题：(1)太阳光的收集与捕获；(2)通过电荷分离中心的光电转换；(3)H2 和O2 在催化歧管中的隔离析出及对应的分离电荷的捕获。在这个化学反应中，H2O 是可再生的多电子源，在氧化半反应中每分子可提供4 个电子。太阳能能量转换方程 (2H2O+4hν→ 2H2+O2)的核心问题来源于多电子/光子需求，而任何光致电荷分离通常都是单电子/光子步骤。因此关键问题是光吸收/电荷传输的可重复性，高效/强大的催化剂间的相互作用，从而控制产物以可持续的速率依次析出，该速率要足够快，以便克服与其竞争的电荷复合/最终失活。按照这一观点，需要在纳米水平上依次实现对光收集、电荷分离和催化的精确多级控制和操纵。最终的目的是使催化区域/光活性和导体材料达到最佳匹配设计，并将其集成在一个功能性几何/多阵列体系中，从而提高催化性能和增加界面电荷转移速率。

Mallouk等提出的水解与染料敏化太阳能电池相结合的示意图

将这些不同的组件集成在一个单一的运行器件中的工程学是当代化学面临的最大挑战之一，而且目前依然是可持续氢经济最宏伟的目标之一。

本文摘编自由[意]C.A.比尼奥齐主编，张光晋、贺涛译《光催化》一书。该书介绍的研究工作旨在为太阳能转换应用中存在的一系列问题提供解决办法，包括使用光电化学、光电解或光电合成池，将太阳能储存在化学燃料中，以及通过选择性光氧化将有机物进行转化这一典型光催化过程。

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