在自然界中，光合成有机细胞器（photosynthetic organelles）吸收太阳能，通过超分子组装体从H₂O和CO₂制备含有高能量的化合物分子。人们发展的水相人工光合成催化体系能够以较高的光催化反应效率进行，但是选择性和稳定性都无法让人满意，导致无法得到实际应用。构筑水溶性人工光合成体系，模拟天然光合成过程进行选择性和高效率的制备太阳燃料成为一项挑战。

有鉴于此，上海有机所田佳（Jia Tian）、香港城市大学叶汝全（Ruquan Ye）、江苏大学杜莉莉（Lili Du）、香港大学David Lee Phillips等报道通过Zn卟啉两亲性分子和Co催化剂在水溶液中自组装的方式，得到高稳定性和高效率的球形人工光合成光吸收纳米胶束，在30天CO₂制备甲烷的TON>6600，同时光催化反应的选择性达到89 %。

主要内容

（1）

这种自组装多级结构形成球状天线效应，可以实现模拟天然光催化反应过程，太阳能制备燃料的效率达到15 %。通过结合聚芳香酰胺类（aramid）的两亲性的Zn卟啉作为光吸收部件，两亲性结构形成纳米胶束，并且Co催化剂与Zn卟啉之间静电相互作用。构成的非贵金属纳米胶束非常稳定，能够在溶液相选择性的进行光催化CO₂还原。通过冷冻电镜进行单个颗粒表征，发现12个卟啉结构形成4.2 nm圆环，这种多级结构产生球形天线效应，促进光催化反应。

（2）

使用三乙胺盐酸盐作为牺牲剂，纳米胶束在温和的反应温度和气压进行30天光催化反应CO₂还原，TON达到>6600，CH₄选择性达到89 %。刚开始2 h在450 nm的表观量子效率达到15.1 %。通过同位素标记实验，验证CH₄来自CO₂，反应包括两步：首先CO₂还原生成CO，随后CO还原生成CH₄。在24 h光催化反应，甲烷产量达到>13000 μmol h^-1 g^-1，量子效率达到5.6 %。

此外，该体系能够在水溶液中高效率还原大气气氛CO₂制备CH₄。将大气气氛的CO₂（410 ppm）的96 %完全转化，CO₂生成甲烷选择性达到92 %。

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Junlai Yu, Libei Huang, Qingxuan Tang, Shang-Bo Yu, Qiao-Yan Qi, Jiangshan Zhang, Danying Ma, Yifei Lei, Jianjun Su, Yun Song, Jean-Charles Eloi, Robert L. Harniman, Ufuk Borucu, Long Zhang, Minghui Zhu, Feng Tian, Lili Du, David Lee Phillips, Ian Manners, Ruquan Ye & Jia Tian, Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO₂ reduction in water. Nat Catal (2023)

DOI: 10.1038/s41929-023-00962-z

https://www.nature.com/articles/s41929-023-00962-z