科學家發現媲美自然光合作用的單核錳催化劑

將清潔的太陽能轉化為可儲存、可運輸的燃料，是當今科學界“圣杯”式的難題。科學家曾提出“液態陽光”（即“太陽燃料”）的構想，以應對未來化石燃料枯竭的能源需求和氣候變化。10月16日《自然—催化》發表的一篇論文顯示，中科院大連化學物理所研究員、中科院院士李燦團隊發現了一種可與自然光合作用催化劑活性相媲美的單核錳催化劑，為實現“液態陽光”構想邁出關鍵一步。

　　光合作用中，植物利用太陽能將水裂解釋放氧氣、為生物合成提供電子和質子，并進行光合反應，這是人類夢寐以求的能源轉化過程。不久前，《焦耳》雜志發表了中國科學院院長、中科院院士白春禮等作者的文章，提出“液態陽光”的倡議，指出實現液態陽光關鍵在于將太陽能轉化為穩定、可儲存、高能量的化學燃料，這應該引起科學界重視。其中，水氧化是自然光合作用和人工光合成的原初反應，實現“液態陽光”的關鍵在于開發高效穩定的水氧化催化劑。

　　李燦告訴《中國科學報》記者，自然光合作用水氧化反應的催化劑是一個多核錳的化合物，由四個錳離子和一個鈣離子及多個氧原子組成，催化活性為每秒鐘發生化學反應次數（TOF）為100至400次之間。

　　長期以來，科學家沿著這一思路尋找模擬自然光合作用的多核錳催化劑。李燦團隊也不例外。“一開始，我們并沒有預測到單核錳催化劑會具有如此高的催化活性。”李燦坦言。

　　研究人員將含錳的氧化物納米顆粒固定在作為基體的氮化石墨烯上，在基體上逐步分散納米顆粒，并測量其在不同分散程度下的催化活性。他們意外地發現，納米顆粒尺寸越小，水氧化活性越高。

　　“按照這個思路，我們繼續分散納米顆粒，直至到單核尺度，其水氧化活性突躍上升到每秒鐘發生化學反應200次以上。”李燦指出。這是目前報道的多相催化劑水氧化最高的活性，也達到了自然光合作用水氧化多核錳催化劑的水平。

　　李燦同時表示：“這是我們在長達18年里圍繞人工光合成關鍵科學問題的攻關取得的階段性成果。”自2001年起，他帶領的科研團隊致力于人工光合成太陽燃料研究，在太陽能光催化、光電催化和電催化分解水制氫，以及二氧化碳加氫制甲醇等方面取得了進展，研發了系列具有自主知識產權的相關ZL技術。今年7月，該團隊在蘭州新區成功啟動千噸級液態太陽燃料生產示范工程，標志著我國真正意義上開始了大規模液態太陽燃料生產過程的實踐。

　　李燦說，未來，此次發現的單核錳催化劑有望在該示范工程中應用。

　　相關論文信息：DOI: 10.1038/s41929-018-0158-6