科学家破解了清洁能源的自然密码

诸平

据德国维尔茨堡大学{University of Würzburg / Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bavaria, Germany}2025年3月14日提供的消息，人工光合作用：科学家破解了清洁能源的自然密码 （Artificial Photosynthesis: Scientists Crack Nature’s Code for Clean Energy）。

Fig. 1 Scientists have successfully mimicked a key step in photosynthesis, using stacked dye molecules to transfer light energy efficiently. This breakthrough could lead to artificial photosynthesis systems capable of reducing CO2 and generating sustainable fuels. Credit: SciTechDaily.com

人工光合作用是清洁能源和碳捕获的关键，但复制自然过程并非易事。(Artificial photosynthesis holds the key to cleaner energy and carbon capture, but replicating nature’s process is no easy feat.)

维尔茨堡大学(JMU Würzburg)研究人员的一项突破使科学更近了一步，他们创造了一种堆叠染料系统，可以像植物细胞一样利用光有效地移动载荷子（charge carriers）。

利用阳光：光合作用的魔力（Harnessing Sunlight: The Magic of Photosynthesis）

光合作用是植物将阳光、二氧化碳和水转化为富含能量的糖和氧气的过程。这个非凡的系统为植物生长提供燃料，并释放我们呼吸的氧气。

如果科学家们能够复制光合作用，其益处将是巨大的。太阳能可以用来去除空气中的二氧化碳，并将其转化为有价值的化合物，如碳水化合物。此外，由于光合作用自然地将水分解为氧和氢，人工光合作用就可以提供一种生产清洁氢燃料的新方法。

光合作用：一个有许多参与者的复杂过程(Photosynthesis: A Complex Process With Many Participants)

鉴于其潜力，世界各地的研究人员都在努力开发人工光合作用。但是，复制自然的方法是一个很大的挑战。这一过程涉及植物细胞内的多个复杂步骤，依赖于色素、蛋白质和其它分子的网络。尽管存在这些复杂性，这一领域的科学进步仍在继续加速。

人工光合作用的主要专家之一是来自德国维尔茨堡大学｛Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg｝的弗兰克·沃特纳教授（Professor Frank Würthner）。他的团队使用了人工染料分子的高级排列，已经成功地模仿了自然光合作用的早期步骤之一。这一突破为能量如何在这一过程中转移和储存提供了新的见解。相关研究结果于2025年3月14日已经在《自然化学》（Nature Chemistry）杂志发表——Leander Ernst, Hongwei Song, Dongho Kim, Frank Würthner. Photoinduced stepwise charge hopping in π-stacked perylene bisimide donor–bridge–acceptor arrays. Nature Chemistry, 2025. DOI: 10.1038/s41557-025-01770-7. Published: 14 March 2025. https://www.nature.com/articles/s41557-025-01770-7

参与此项研究的除了来自德国维尔茨堡大学{Universität Würzburg, Institut für Organische Chemie, Würzburg, Germany; Universität Würzburg, Center for Nanosystems Chemistry, Würzburg, Germany}的研究人员之外，还有来自韩国首尔的延世大学（Spectroscopy Laboratory for Functional π-Electronic Systems and Department of Chemistry, Yonsei University, Seoul, Republic of Korea）的研究人员。

Fig. 2 This is what the stack of four dyes synthesized in Würzburg looks like. It represents a further step towards artificial photosynthesis because it absorbs light energy and transfers it quickly and efficiently in the stack. Credit: Leander Ernst / University of Wuerzburg

堆垛系统中快速高效的能量传输(Fast and Efficient Energy Transport in a Stacking System)

研究人员已经成功地合成了一堆染料，这种染料与植物细胞中的光合装置非常相似，它在一端吸收光能，利用光能分离载荷子(charge carriers)，并通过电子传输将它们一步一步地转移到另一端。该结构由四个堆叠的苝酰亚胺(perylene bisimide)染料分子组成。

合成了这种堆叠结构的JMU博士生利安德·恩斯特（Leander Ernst）说：“我们可以用光具体地触发这种结构中的电荷输运，并对其进行了详细的分析。它是高效和快速的，这是人工光合作用发展的重要一步。”

超分子导线作为研究工作的目标(Supramolecular Wires as the Goal of the Research Work)

接下来，JMU的研究小组希望将堆叠染料分子的纳米系统从四个扩展到更多的组件，目的是最终创造一种超分子线，可以吸收光能，并快速有效地将其传输到更远的距离。这将是迈向可用于人工光合作用的新型光功能材料的又一步。

该研究得到了维尔茨堡大学的工作得到了德国巴伐利亚科学和艺术部在“太阳能技术混合动力”研究项目（Bavarian Ministry for Science and the Arts within the research program ‘Solar Technologies Go Hybrid’）的资金支持。在韩国延世大学的工作得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会{National Research Foundation of Korea grant funded by the Korea government (grant no. 2021R1A2C300630811)}的资助。

上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文和相关报道。

Paul Smaglik. Scientists Take Key Step in Mimicking Photosynthesis. Mar 15, 2025 2:20 AM

Discover Magazine. How Does Photosynthesis Work?

Discover Magazine. Will we ever... photosynthesise like plants?

Abstract

The mechanistic understanding of light-driven charge separation and charge-carrier transport within the frameworks of π-conjugated molecules is imperative to mimic natural photosynthesis and derive synthetic materials for solar energy conversion. In this regard, since the late 1980s, the distance and solvent dependence of stepwise (incoherent) charge-carrier hopping versus single-step (coherent) superexchange transport (tunnelling) have been studied in detail. Here we introduce structurally highly defined cofacially stacked donor–acceptor perylene bisimide arrays, which offer a high resemblance to natural systems. Similarity is achieved through controlling energy and electron transfer processes via intermolecular interactions between the π-stacked perylene bisimide subunits. Selective excitation of the donor induces electron transfer to the acceptor unit in polar solvents, facilitated by a ‘through-stack’ wire-like charge hopping mechanism with a low attenuation factor β=0.21 Å⁻¹, which suggests through-stack as being equally supportive for long-distance sequential electron transfer compared to the investigated ‘through-bond’ transfer along π-conjugated bridges.