
上海有機所實現(xiàn)仿色素體超高活性光催化制氫TON>667,000
中國科學院上海有機化學研究所田佳研究員團隊與復旦大學合作在人工光合組裝體研究中取得重要進展。研究人員成功構建了一類新型球形色素體納米膠束,同時實現(xiàn)了LH2與LH1–RC超級復合物結構模擬及水相高效光催化制氫,該系統(tǒng)的催化轉化數(TON)突破667,000。該成果以"Artificial Spherical Chromatophore Mimicking LH2 and LH1–RC for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Production with Turnover Number >667,000"為題,于2026年2月18日長文(Article)形式在線發(fā)表于Journal of the American Chemical Society?雜志。
光合生物在長期進化過程中演化出了近乎完美的光捕獲系統(tǒng),其中紫細菌的光捕獲復合物(LH2和LH1–RC)通過環(huán)狀蛋白骨架精準排布細菌葉綠素分子形成環(huán)形陣列結構,實現(xiàn)了超過95%的量子效率。受這一精巧結構啟發(fā),田佳團隊設計了一種兩親性卟啉基細菌葉綠素類似物(BChlA)分子,通過自組裝在無蛋白骨架條件下構建超分子陰離子型卟啉組裝體(SAPA),并進一步與帶正電的鎳基分子催化劑(DuBois-type催化劑)通過分級共組裝精準結合,成功實現(xiàn)了對天然色素體"天線-反應中心"關鍵超級復合物結構的模擬(圖1a)。
該研究的關鍵突破在于首次通過冷凍電鏡技術直接觀測到仿生體系中卟啉環(huán)狀陣列形成的高分辨關鍵證據。研究團隊在納米膠束表面清晰分辨出約22個環(huán)狀亞基,每個環(huán)由12個卟啉分子組成,納米膠束表面通過超分子多價性耦合催化反應中心,形成了類似天然LH1–RC結構的核心反應區(qū),為通過結構仿生設計新型人工光合組裝體提供了新的思路和方法(圖1b)。穩(wěn)態(tài)吸收光譜研究表明,當催化劑與卟啉陣列結合后,體系的Soret吸收峰從424納米紅移至436納米,Q帶同步位移,形成了類似于天然色素體中B850向B875的吸收和能量傳遞路徑轉變(圖1c)。
在光催化性能方面,該人工色素體系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的水相可見光驅動的催化產氫活性與穩(wěn)定性。在可見光(AM1.5G,420 Cut-off Filter)照射下,該組裝體體系的產氫效率比非組裝的自由分子體系(ZnTCPP對照組)提升40倍。連續(xù)運行72小時后,催化位點TON達到667,321,在24小時內測定的外量子效率(EQE)達6.8%(435納米)(圖2a–c)。飛秒瞬態(tài)吸收光譜(fs-TAS)研究揭示了高效催化的微觀動力學機制,組裝體中光生電子從卟啉三線態(tài)向催化劑轉移時間縮短至皮秒量級,而電荷分離態(tài)壽命延長至1.35納秒,形成了“快速轉移、緩慢復合”的電荷分離態(tài),有效抑制了能量耗散(圖2d–f)。
綜上所述,該研究不僅成功模擬了天然光合系統(tǒng)LH2和LH1-RC超級復合物結構和功能上的核心特征,還發(fā)展了一種基于超分子組裝策略構建水相高效人工光合產氫體系的新途徑,為面向太陽能燃料合成系統(tǒng)的設計和機制解析提供了重要結構基礎和機制解析思路。

圖1. 仿LH-RC人工球形色素體系統(tǒng)的制備與高分辨結構表征。
圖2. 人工色素體系統(tǒng)的光催化產氫性能及飛秒瞬態(tài)光譜動力學機制解析。
以上工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中國科學院、上海市科委、上海有機所以及金屬有機化學全國重點實驗室和黎占亭教授的大力資助和支持。
論文信息:
DOI: 10.1021/jacs.5c19395
鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c19395
上海有機所田佳研究員及團隊長期致力于模擬天然光合系統(tǒng)構筑高效人工光合體系,于2023年報道了首例仿紫色光合細菌色素體構筑的有機超分子人工光合組裝體用于水相常溫高效CO2還原制CH4(Nat. Catal.2023,6, 464–475),并于2024年報道了模擬藻膽體構建水相人工光合組裝體用于光催化產H2(Angew. Chem. In. Ed.2024,63, e202315599),于2025年報道了仿羧酶體人工光合系統(tǒng)組裝級聯(lián)多酶協(xié)同催化CO2還原至甲醇(Angew. Chem. In. Ed.2025,64, e202516599)。團隊受邀撰寫相關綜述,總結光合細菌啟發(fā)的人工光合系統(tǒng)模擬綠小體、色素體和藻膽體等光合系統(tǒng)的進展(ChemCatChem2024,0, e202401365);光合紫菌環(huán)狀光捕獲陣列和反應中心的構筑策略及LH1-RC復合物的模擬進展(Artif. Photosynth.2025,aps.5c00006);以及自然和人工系統(tǒng)的光合反應路徑(Sci. China Chem.2024,68, 2820)。
課題組長期招收博士生和博士后(年齡<35周歲),有意者請聯(lián)系田老師(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。
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