科学家发现媲美自然光合作用的单核锰催化剂

将清洁的太阳能转化为可储存、可运输的燃料，是当今科学界“圣杯”式的难题。科学家曾提出“液态阳光”（即“太阳燃料”）的构想，以应对未来化石燃料枯竭的能源需求和气候变化。10月16日《自然—催化》发表的一篇论文显示，中科院大连化学物理所研究员、中科院院士李灿团队发现了一种可与自然光合作用催化剂活性相媲美的单核锰催化剂，为实现“液态阳光”构想迈出关键一步。

　　光合作用中，植物利用太阳能将水裂解释放氧气、为生物合成提供电子和质子，并进行光合反应，这是人类梦寐以求的能源转化过程。不久前，《焦耳》杂志发表了中国科学院院长、中科院院士白春礼等作者的文章，提出“液态阳光”的倡议，指出实现液态阳光关键在于将太阳能转化为稳定、可储存、高能量的化学燃料，这应该引起科学界重视。其中，水氧化是自然光合作用和人工光合成的原初反应，实现“液态阳光”的关键在于开发高效稳定的水氧化催化剂。

　　李灿告诉《中国科学报》记者，自然光合作用水氧化反应的催化剂是一个多核锰的化合物，由四个锰离子和一个钙离子及多个氧原子组成，催化活性为每秒钟发生化学反应次数（TOF）为100至400次之间。

　　长期以来，科学家沿着这一思路寻找模拟自然光合作用的多核锰催化剂。李灿团队也不例外。“一开始，我们并没有预测到单核锰催化剂会具有如此高的催化活性。”李灿坦言。

　　研究人员将含锰的氧化物纳米颗粒固定在作为基体的氮化石墨烯上，在基体上逐步分散纳米颗粒，并测量其在不同分散程度下的催化活性。他们意外地发现，纳米颗粒尺寸越小，水氧化活性越高。

　　“按照这个思路，我们继续分散纳米颗粒，直至到单核尺度，其水氧化活性突跃上升到每秒钟发生化学反应200次以上。”李灿指出。这是目前报道的多相催化剂水氧化最高的活性，也达到了自然光合作用水氧化多核锰催化剂的水平。

　　李灿同时表示：“这是我们在长达18年里围绕人工光合成关键科学问题的攻关取得的阶段性成果。”自2001年起，他带领的科研团队致力于人工光合成太阳燃料研究，在太阳能光催化、光电催化和电催化分解水制氢，以及二氧化碳加氢制甲醇等方面取得了进展，研发了系列具有自主知识产权的相关ZL技术。今年7月，该团队在兰州新区成功启动千吨级液态太阳燃料生产示范工程，标志着我国真正意义上开始了大规模液态太阳燃料生产过程的实践。

　　李灿说，未来，此次发现的单核锰催化剂有望在该示范工程中应用。

　　相关论文信息：DOI: 10.1038/s41929-018-0158-6