光化學(xué)轉(zhuǎn)換

吳驪珠^*

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所

北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路29號，郵編100190

*Email: lzwu@mail.ipc.ac.cn

 

光合作用是綠色植物（包括海藻）利用太陽光將二氧化碳和水合成有機物并釋放氧氣的過程，是地球上最大規(guī)模的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)，也是光化學(xué)反應(yīng)的成功范例。光合作用起始于光捕獲體系中葉綠素天然分子對光子的吸收，光合系統(tǒng)II利用吸收光子產(chǎn)生的空穴在放氧中心將水裂解為氧氣，生成的電子和質(zhì)子被傳遞到光合系統(tǒng)I，受光激發(fā)的光合系統(tǒng)I再在催化活性中心將質(zhì)子、電子和二氧化碳還原為葡萄糖，某些光合細菌的光合系統(tǒng)I可直接將光合系統(tǒng)II傳遞來的電子和質(zhì)子還原放出氫氣。受自然界光合作用的啟發(fā)，我們建立了高效穩(wěn)定的人工光合成體系，利用可見光催化顯著提高光化學(xué)反應(yīng)選擇性，實現(xiàn)了若干具有典型意義和重要應(yīng)用價值的化學(xué)反應(yīng)，創(chuàng)建“放氫交叉偶聯(lián)”反應(yīng)，該反應(yīng)突破了傳統(tǒng)脫氫偶聯(lián)反應(yīng)必需加入化學(xué)計量氧化劑的局限，實現(xiàn)了多種惰性鍵的活化和交叉偶聯(lián)，在常溫常壓下實現(xiàn)了苯和氨氣一步合成苯胺、苯和水一步合成苯酚；利用穩(wěn)態(tài)、時間分辨和空間分辨技術(shù)，闡明了光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞和化學(xué)轉(zhuǎn)換的機制；通過模擬自然界光合作用系統(tǒng)I和系統(tǒng)II，開發(fā)了高效、穩(wěn)定、廉價的可見光催化分解水和二氧化碳還原體系，將國際上最高產(chǎn)氫催化轉(zhuǎn)換數(shù)提升到1600萬，取得了人工光合成制氫研究的突破性進展。在此，我們匯報相關(guān)研究的最新進展。

關(guān)鍵詞：光化學(xué)；光合作用；人工光合成；光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)換；太陽能轉(zhuǎn)換

 

Artificial Photosynthesis for Chemical Transformation

Li-Zhu Wu^*

Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China

 

With the increasing concern over the global energy crisis and the greenhouse effect caused by carbon dioxide emission, the development of carbon-neutral and renewable-energy solutions has attracted considerable interest in both the scientific and industrial communities. Nature long ago figured out how to use photosynthetic complex to capture sunlight and then to store its energy in a chemical form. Artificial photosynthesis is the idea that one might be able to create energy and other useful thing from sunlight, water and carbon dioxide, as plants do. Inspired by the ability of natural photosynthesis to convert solar energy into chemical energy, the scientific community recognized the potential of light-driven reactions (photochemistry) as a powerful approach to chemical synthesis. From the high energy intermediate generated by photoinduced excitation of organic molecules, unique reaction manifolds can be accesses that are generally unavailable to conventional thermal pathways. Thus photochemical reactions considerably enrich the synthetic repertoire of modern organic chemists. Our group has long engaged in the photochemistry research related to the photoinduced energy transfer, electron transfer and chemical transformation. In this presentation, we will compile several stories to illustrate photochemical approaches that may be useful in the design of artificial photosynthetic systems for effective chemical transformation.

 

吳驪珠，1990年畢業(yè)于蘭州大學(xué)化學(xué)系，獲學(xué)士學(xué)位。1995年畢業(yè)于中國科學(xué)院感光化學(xué)研究所，獲博士學(xué)位。畢業(yè)后留所工作，歷任助理研究員、副研究員、研究員。1997年至1998年赴香港大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究?，F(xiàn)為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。長期致力于光化學(xué)研究，涉及太陽能光化學(xué)轉(zhuǎn)換、光化學(xué)合成與技術(shù)、超分子體系中重要的光物理和光化學(xué)過程。曾獲國家自然科學(xué)基金杰出青年基金資助（2001）、國家自然科學(xué)二等獎（2005，第二完成人）、中國青年科技獎（2007）、中國青年女科學(xué)家獎（2010）、中國化學(xué)會-物理有機化學(xué)獎（2013）、中國化學(xué)會-贏創(chuàng)化學(xué)創(chuàng)新獎（2016）、國家萬人計劃百千萬工程領(lǐng)軍人才（2016）。中國化學(xué)會會士。2019年當(dāng)選中國科學(xué)院院士。