中國科大實現(xiàn)人工光合系統(tǒng)的高通量篩選

自然光合系統(tǒng)通過光敏蛋白、酶和輔酶的協(xié)同作用，利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為富能有機物并釋放氧氣，是自然界最大規(guī)模的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)換過程。分子光催化體系以兩類金屬配合物分別模擬光合作用中的光敏蛋白和酶，構(gòu)筑光能轉(zhuǎn)化效率更高的人工光合系統(tǒng)，有望為緩解能源環(huán)境危機、降低碳排放提供新的理論和技術(shù)支撐。在開發(fā)高效人工光合系統(tǒng)的過程中，涉及大量的分子光敏劑和分子催化劑的組合，通過傳統(tǒng)的反復試錯實驗極其耗時。由于缺乏可靠的描述符，業(yè)界一直難以實現(xiàn)人工光合系統(tǒng)的高通量篩選。 pJ{sBp_$  
熊宇杰教授/高超特任教授團隊長期從事人工光合系統(tǒng)的能量耦合與轉(zhuǎn)換機制研究，在各種體系中凝練出偶極耦合在能量耦合與轉(zhuǎn)換過程中的普適性作用。基于此，該團隊通過大量的分子光催化體系實驗研究，建立了人工光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的實驗數(shù)據(jù)庫。進一步與江俊教授課題組合作，采用了包含光敏化、電子轉(zhuǎn)移和催化三個關(guān)鍵步驟的不同描述符，提出了一種基于機器學習加速的分子光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的高通量篩選策略。該策略實現(xiàn)了對數(shù)千種不同的分子光敏劑和分子催化劑組合進行快速篩選，確定其中的高效人工光合系統(tǒng)，性能處于國際領(lǐng)先水平。與此同時，與中國科學院高能物理所陶冶研究員和SLAC國家加速器實驗室Dimosthenis Sokaras研究員合作，利用時間分辨譜學證實了偶極耦合作為描述符的可靠性，并證實了偶極耦合在引發(fā)動態(tài)催化反應過程中的作用。該工作為未來高效人工光合系統(tǒng)研發(fā)提供了一種可行性范式，發(fā)表在《自然·催化》期刊（Nature Catalysis 2025, 10.1038/s41929-025-01291-z）。 R