近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院院长李灿院士指导的博士研究生叶盛等人在模拟自然光合作用构建高效的人工光合体系的研究中取得重要进展。基于仿生的概念将部分氧化的石墨烯和空穴储存层相结合，大幅度提高了光生电荷分离效率，实现了高效的光电催化分解水制氢，相关研究成果以“Mimicking the Key Functions of Photosystem II in Artificial Photosynthesis for Photoelectrocatalytic Water Splitting”为题，发表在《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.7b10662），并被邀请作为JACS当期封面文章。
在本工作中，研究人员通过模拟光系统II中关键组分的重要功能，采用BiVO4半导体作为捕光材料，镍铁层状双氢氧化物（NiFeLDH）作为空穴储存层（Angew. Chem. Int. Ed.,2014, 53, 7295; Energy Environ. Sci.,2016, 9, 1327.）用于抑制BiVO4的光腐蚀，发现部分氧化的石墨烯（pGO）作为捕光材料与水氧化催化剂之间的电荷传输的媒介，其功能类似于自然光系统II中酪氨酸（Tyr）的作用，并采用分子Co立方烷作为水氧化催化剂模拟自然光合作用的Mn4CaO5放氧中心。该体系在光电催化分解水反应中展示了高效的性能和稳定性。水氧化反应的起始电位为0.17 V，接近热力学理论值，且为目前文献报道的最低值。此外，该体系在1.23 V（VS. RHE）偏压下的光电流高达4.45 mA·cm-2，太阳能到氢能的转化率（STH）大于2.0%。同时，该工作也是继该研究组半导体与分子催化剂耦合体系用于光催化的相关研究后（J. Catal., 2016, 338, 168; J. Am. Chem. Soc.,2016,138, 10726）在光电催化分解水应用方面取得的新进展。
该工作得到了科技部973项目，国家自然科学基金，中科院战略性先导科技专项和教育部能源材料化学协同创新中心(iChEM)的资助。该论文共同第一作者为博士研究生叶盛和研究助手丁春梅博士。