对可持续能源的需求不断增加，继续推动以化学键的形式储存间歇能量的新催化工艺的发展。光合生物可以收获光以驱动光合反应，从而减少二氧化碳（一种丰富而可及的碳源），以葡萄糖和其他生物质原料的形式存储太阳能。受此生物过程的启发，人工光合作用的目的是将可再生能源存储在燃料，食品，药物和材料中的化学键中，其中使用光，水和二氧化碳作为主要化学原料，并减轻大气中作为温室气体的二氧化碳（CO₂）浓度。因此，设计新的催化剂以将CO₂转化为增值化学产品非常重要。历史上，人工光合作用催化剂的设计主要从分子、材料和生物三个传统的催化领域进行。

有鉴于此，加利福尼亚大学的Christopher J. Chang和中科院山西煤炭化学研究所的Zhi Cao等人合作，综述了他们在构建用于人工光合作用的新型杂化催化剂方面的进展，这些新催化剂借鉴了所有这三种传统催化领域的设计理念，并模糊了它们之间的界限。

本文要点

1）从分子催化开始，将酶中普遍存在的生物学设计元素纳入到合成系统中。具体来说，他们证明了在经典的铁卟啉和镍环化平台上，正确定位分子内氢键给体或添加分子间的多点氢键给体可以大幅度提高CO₂的还原速率。同时，他们将关键的材料设计元素（即高表面积和高孔隙率）用于分子系统，以最大限度地增加活性位点的暴露。合成了具有铁卟啉结构单元的超分子多孔有机笼分子，并观察到孔隙率有利于基质和电荷通过催化剂膜传输。

2）反过来，可以将分子设计元素结合到材料催化剂中以还原CO₂。首先，他们以自下而上的网状结构方法利用分子合成来驱动聚合/组装成整体骨架材料。其次，他们建立了一种有机金属方法，其中分子配体（包括螯合剂）被吸附到大块无机固体上，在表面上创造和调节新的活性位点。

3）最后，他们描述了两个示例，其中分子，材料和生物设计元素都被整合在一起，使用具有可持续生成的H₂作为还原剂的混合生物材料界面或将CO还原为增值C2的混合生物材料界面，将CO₂还原为CH₄。产物乙酸盐和乙醇使用混合的分子材料界面构建仿生的双金属活性位点。

总之，该工作有利于促进以协同方式结合更常规的设计策略促进人工光合作用的发展。

参考文献：

Peter T. Smith et al. Hybrid Catalysts for Artificial Photosynthesis: Merging Approaches from Molecular, Materials, and Biological Catalysis. Acc. Chem. Res., 2020.

DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00619

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00619