光合作用是自然界将太阳能转化为化学能的核心过程，但其效率受限于生物系统的能量损失和环境约束。开发高效人工光合系统，模拟植物叶绿体的能量转化机制，是解决清洁能源存储与碳中和挑战的关键。然而，传统人工光合系统常面临光反应与暗反应耦合困难、驱动电压高、中性条件适应性差等问题，限制了其应用。

近日，中国科学院福建物质结构研究所王要兵研究员团队在《Angewandte Chemie International Edition》期刊发表了题为“Artificial Photosynthetic Cell with Molecular Biomimetic Thylakoid”的研究成果。该团队开发了一种基于分子仿生类囊体（Co-TPP-FePy）的人工光合细胞（APC），在低驱动电压（1.1V）和中性条件（pH≈7）下将水分解为氢气和氧气（H₂和O₂）。CoTP-FePy可以通过耦合光收集、光催化和电子/能量存储（Fe^III/Fe^IIPy）来模拟类囊体中的光反应以产生O₂。随后，采用膜电极组件（MEA）模拟暗反应，其中光反应产生的质子、电子和能量可以驱动H₂的产生过程。通过光和暗反应的时间和空间耦合，该APC实现了3.1%的太阳能转换效率，超过了自然光合系统。该团队进一步通过飞秒瞬态吸收光谱和原位红外光谱揭示了CoTPP-FePy分子内电子转移方向及水氧化中间体演化机制（如*OOH、*OO的形成）。实验表明，该系统的低驱动电压（1.1 V vs. RHE）源于Fe-Py氧化还原电位（1.06 V）的精准调控，显著低于传统电解水需求（1.45 V）。此外，该团队开发的光电化学流动池展示出APC的长期稳定性（12小时连续运行）和工业化潜力。该技术为绿色氢能规模化生产及太阳能高效存储提供了全新路径。

叶绿体中的自然光合作用和人工光合细胞（APC）

相关成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》。福建物构所周恩博博士为论文第一作者，王要兵研究员为通讯作者。研究获得国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、中国科学院前沿科学重点研究等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202416289

（王要兵课题组供稿）