港⼤化學家研發⼈⼯光合系統
可提⾼可持續光能轉換效能 有望實現⽣產碳中和燃料
將太陽能轉化為碳中和燃料可減少我們對化⽯燃料的依賴，是應對氣候變化的有效⽅法之⼀。以⾃ 然界為例，植物和其他光合⽣物就是利⽤陽光將⽔和⼆氧化碳轉化為營養物質。然⽽，這種⾃然過 程的效率卻受到代謝過程的限制，⼤⼤降低了太陽能轉化為其他能量的效率。雖然⼈⼯光催化已證 明具有更⾼的固有效率（即⼈⼯催化的效率比光合作⽤的更⾼），但⼈⼯催化通常要依賴⾼純度或 ⾼濃度的⼆氧化碳和有機介質來進⾏，⽬的是避免與⽔或質⼦發⽣化學作⽤⽽影響催化的效率。
⾹港⼤學（港⼤）化學系裴達偉教授、江蘇⼤學杜莉莉教授（港⼤博⼠校友）、⾹港城市⼤學（城 ⼤）葉汝全教授及中國科學院上海有機化學研究所⽥佳教授領導的研究團隊，開發了⼀種環保光催 化系統，利⽤光能進⾏⾼效率的光催化過程。這種⼈造系統極具穩定性和循環性（可多次重複⽽不 會降低催化效率），並且無須依賴貴⾦屬作催化劑的關鍵成份，既可節省經濟成本，亦可促進可持 續發展性。該研究成果近⽇已在頂級科學期刊《⾃然催化（Nature Catalysis）》上發表。
研究背景與成果 光合作⽤為⽣命提供了物質和能量基礎，然⽽，這個天然系統卻存在着許多局限性。例如，在天然 光合作下所產⽣的能量往往被諸多⽣命過程消耗，可是催化中⼼的數量有限，且距離光敏系統較 遠，導致其光能-化學能轉化的總量⼦效率低於 0.1~1%（植物全年平均~0.1%，收成季節~1%）。因 此，如何既能模擬天然系統，又可提升光能轉化效率，是當今極具挑戰性的研究熱點。
在⾃然界中，⽣物利⽤⼀種稱為「分層⾃組裝（hierarchical self-assembly）」的過程來提升採光 （light-harvesting）效率。在這個過程中，它們通過脂質或蛋⽩質基質提供的環境來組織光催化組分 （photocatalytic components）。光合作⽤依賴於着⾊分⼦相對較⾼的表⾯⾯積和精確控制分⼦空間 的特點，以實現⾼穩定性、選擇性和效率。這個通過⾃組裝形成的催化中⼼正正為⼈⼯光催化系統 的設計帶來靈感，⽽研發新型材料是進⼀步推動⼈⼯催化系統發展的關鍵所在。
近期有研究表明，利⽤天然脂質或合成表⾯活性劑與光催化物種共組裝形成的囊泡和胞微粒，可以 模仿細胞膜的環境，作為微反應器。然⽽，通過合成途徑複製天然的採光化合物非常困難且成本⾼昂。
研究團隊受到天然光合紫⾊細菌（Rhodobacter sphaeroides）球形⾊素體結構的啟發，設計了⼀種⾃ 組裝的⼈⼯球形⾊素體納⽶膠束系統。細胞膜上⾊素體表⾯的圓形排列會產⽣「球形天線效應」， ⽽這結構正是利⽤這個效應將陽光的能量⾼效率地轉移，令紫⾊球菌能夠有效地接收陽光並轉化作 能源應⽤。
這個⼈⼯系統模仿細菌的球形採光⾊素體，在⽔溶液中⾃組裝成微⼩的球形結構，稱為納⽶膠束， 作為系統的基本組成單位。該系統利⽤修改過的分⼦和具有採光性的化合物，稱為「aramid-linker 增強的鋅卟啉兩親分⼦（aramid-linker enhanced Zn porphyrin amphiphiles）」，通過靜電⼒ （electrostatic forces）與鈷催化劑（Co catalyst）的相互作⽤，從⽽產⽣獨特的分層組裝。因此，這 種組裝是由「球形天線效應」的誘導下，提升了其光催化的能⼒。
這分層⾃組裝系統創建了⼀個具有⾼穩定性、⾼效率和精確的⼈⼯光催化系統。
裴達偉教授說：「此研究有望通過複製⾃然界⾼效的採光機制來推動可再⽣能源的發展。這可能會 為我們的能源需求和碳中和燃料的⽣產帶來可持續的解決⽅案，從⽽為綠⾊未來作出貢獻。」
杜莉莉教授表⽰：「我們的⾃組裝⼈⼯系統為提升太陽能轉換的效率邁出了重要⼀步。提⾼光催化 效率和穩定性可以創造更清潔、可持續的能源，並為燃料⽣產、碳回收和環境修復提供了可靠的應 ⽤前景。」
關於裴達偉教授 現為港⼤化學系講座教授
作為⼀位國際知名的化學家，裴達偉教授運⽤「時間分辨光譜技術」和 量⼦化學計算探究化學、⽣物和環境領域中化學反應的短暫中間體等問題。他發表了超過 400 篇學 術論⽂，這些論⽂被國際《科學引⽂》索引。此外，他還曾擔任《分⼦》期刊的編輯顧問和委員會 成員，以及《物理有機化學》期刊的顧問委員會成員。裴達偉教授在愛荷華州⽴⼤學獲得理學學⼠ 學位，並在加州⼤學歐⽂分校獲得博⼠學位。
更多有關其研究⼩組的詳細資料請⾒：https://shorturl.at/moDTZ
關於研究團隊的成員， 請參⾒英⽂版本。
相關論⽂：‘Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO2 reduction in water’ (Nature Catalysis , 2023)
論⽂連結：https://www.nature.com/articles/s41929-023-00962-z#citeas
