突破自然界限：科學家解鎖人工光合作用，邁向潔淨能源新紀元

人工光合作用被視為解決潔淨能源與碳捕捉的關鍵技術，但要複製大自然的精妙過程並非易事。近日，德國尤利烏斯-馬克西米利安大學（JMU Würzburg）的研究團隊取得重大突破，他們開發出一種堆疊染料系統，能夠像植物細胞一樣，利用光能高效移動電荷載子，為人工光合作用的實現邁出重要一步。

光合作用是植物與某些微生物將陽光、二氧化碳和水轉化為富含能量的糖類與氧氣的過程。這套精妙的系統不僅支援植物生長，更釋放出我們呼吸所需的氧氣。若能成功複製光合作用，其效益將無比巨大：太陽能可用於從空氣中移除二氧化碳，並將其轉化為碳水化合物等有價值的化合物。此外，由於光合作用能自然地將水分解為氧氣與氫氣，人工版本也可為生產潔淨氫燃料提供新途徑。

鑑於其潛力，全球研究人員正致力於開發人工光合作用。然而，複製自然的方法是一大挑戰。這過程涉及植物細胞內多個複雜步驟，依賴於色素、蛋白質及其他分子組成的網路。儘管如此，這領域的科學進展仍在持續加速。

德國JMU Würzburg的Frank Würthner教授是人工光合作用領域的頂尖專家。他的團隊利用人工染料分子的先進排列，成功模擬了自然光合作用的早期步驟。這項突破為能量在過程中的轉移與儲存提供了新見解。這項研究與韓國延世大學的Dongho Kim教授團隊合作完成，並於3月14日發表在《自然化學》期刊上。

研究人員成功合成了一種與植物細胞光合作用裝置非常相似的染料堆疊結構——它在一端吸收光能，用於分離電荷載子，並透過電子傳輸逐步將其轉移到另一端。該結構由四種來自苝雙醯亞胺類的堆疊染料分子組成。

「我們可以透過光來特異性地觸發這種結構中的電荷傳輸，並已對其進行了詳細分析。它既高效又快速。這是開發人工光合作用的重要一步。」JMU博士生Leander Ernst表示，他正是合成這堆疊結構的研究人員。

接下來，JMU研究團隊計劃將堆疊染料分子的奈米系統從四個擴充套件到更多元件，目標是最終創造出一種能夠吸收光能並快速高效地將其傳輸到更長距離的超分子線。這將是朝向可用於人工光合作用的新型光功能材料的進一步突破。

參考文獻：Photoinduced stepwise charge hopping in π-stacked perylene bisimide donor-bridge-acceptor arrays, 2025年3月14日,《自然化學》,DOI: 10.1038/s41557-025-01770-7