光化学转换

吴骊珠^*

中国科学院理化技术研究所

北京市海淀区中关村东路29号，邮编100190

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

 

光合作用是绿色植物（包括海藻）利用太阳光将二氧化碳和水合成有机物并释放氧气的过程，是地球上最大规模的能量和物质转换基础，也是光化学反应的成功范例。光合作用起始于光捕获体系中叶绿素天然分子对光子的吸收，光合系统II利用吸收光子产生的空穴在放氧中心将水裂解为氧气，生成的电子和质子被传递到光合系统I，受光激发的光合系统I再在催化活性中心将质子、电子和二氧化碳还原为葡萄糖，某些光合细菌的光合系统I可直接将光合系统II传递来的电子和质子还原放出氢气。受自然界光合作用的启发，我们建立了高效稳定的人工光合成体系，利用可见光催化显著提高光化学反应选择性，实现了若干具有典型意义和重要应用价值的化学反应，创建“放氢交叉偶联”反应，该反应突破了传统脱氢偶联反应必需加入化学计量氧化剂的局限，实现了多种惰性键的活化和交叉偶联，在常温常压下实现了苯和氨气一步合成苯胺、苯和水一步合成苯酚；利用稳态、时间分辨和空间分辨技术，阐明了光诱导电子转移、能量传递和化学转换的机制；通过模拟自然界光合作用系统I和系统II，开发了高效、稳定、廉价的可见光催化分解水和二氧化碳还原体系，将国际上最高产氢催化转换数提升到1600万，取得了人工光合成制氢研究的突破性进展。在此，我们汇报相关研究的最新进展。

关键词：光化学；光合作用；人工光合成；光诱导电子转移和能量转换；太阳能转换

 

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.

 

吴骊珠，1990年毕业于兰州大学化学系，获学士学位。1995年毕业于中国科学院感光化学研究所，获博士学位。毕业后留所工作，历任助理研究员、副研究员、研究员。1997年至1998年赴香港大学化学系从事博士后研究。现为中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师。长期致力于光化学研究，涉及太阳能光化学转换、光化学合成与技术、超分子体系中重要的光物理和光化学过程。曾获国家自然科学基金杰出青年基金资助（2001）、国家自然科学二等奖（2005，第二完成人）、中国青年科技奖（2007）、中国青年女科学家奖（2010）、中国化学会-物理有机化学奖（2013）、中国化学会-赢创化学创新奖（2016）、国家万人计划百千万工程领军人才（2016）。中国化学会会士。2019年当选中国科学院院士。