在全球对可持续能源的迫切需求下，仿生光合反应研究成为科研领域的焦点。中国科学院凭借在该领域的一系列重大突破，为新能源的开发与利用带来了新的曙光。这些成果不仅在学术上具有重要意义，更为未来能源转型提供了可行的技术路径。

太阳能光催化分解水绿氢制备技术，作为前沿和颠覆性低碳技术，是实现 “双碳” 目标的关键路径之一。其核心在于构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜，也就是俗称的 “人工树叶”。然而，传统薄膜制备技术或因制备环境苛刻，或成膜质量欠佳，难以满足实际应用需求。

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘岗研究团队与国内外多个研究团队合作，带来了开创性的解决方案。受自然界植物光合作用中光系统镶嵌于叶绿体类囊体膜的结构启发，他们发明了将半导体颗粒嵌入液态金属实现规模化成膜的新技术。

研究人员利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂，在选定基体上规模化成膜，再结合辊压技术，成功实现半导体颗粒的规模化植入。这种独特的结构，让半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中，形成三维立体的强接触界面，恰似 “鹅卵石路面”，赋予了材料优异的结构稳定性和突出的光生电荷收集能力。

以半导体材料钒酸铋为例，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出 2 倍，连续工作 120 小时几乎无活性衰减。即便将光电极从 1 平方厘米放大至 64 平方厘米，单位面积的光电流密度仍能保持约 70%，远优于目前报道的大面积钒酸铋光电极的活性保持率。此外，该技术普适性好，原材料易回收，为大规模应用奠定了基础。相关成果发表在《自然・通讯》上，引发了国际科研界的广泛关注。

在太阳能光催化分解水制取绿氢领域，如何高效利用可见光一直是研究的制高点。虽然半导体光催化材料对紫外光的利用效率已近 100%，但对占太阳光谱 45% 的可见光利用效率却很低，主要原因是可见光能量低，驱动水分解反应的驱动力不足。

刘岗研究团队再次取得关键突破。他们领导中外合作伙伴，受自然界植物叶子高效光合作用的启发，结合微纳集成工艺，在氟掺杂氧化锡透明导电玻璃上创制出图案化的新型仿生光催化材料面板。通过精心设计，获得了产氢光催化材料、产氧光催化材料两种半导体间隔交替分布的条带图案。

研究团队进一步匹配半导体与导电基体间的功函数，形成欧姆接触，促进两者间通过导电基体进行 Z 型电荷转移。这一巧妙设计有效抑制了光生电子与空穴的发光复合，延长了光生电荷的平均寿命，实现了光生电子与空穴的空间有序分离，分别在产氢和产氧光催化材料条带上有序富集。最终成功实现了可见光照射下，有序富集的光生电子与空穴可自发裂解水，产生化学计量比的氢气和氧气。该成果发表于国际专业学术期刊《美国化学会杂志》，为太阳能制氢开辟了新的道路。

在微观层面，中国科学院上海有机化学研究所研究员田佳及合作者从蓝细菌藻胆体中获取灵感。他们通过聚电解质 PDDA 模拟蛋白质骨架，利用金属卟啉模拟色素团分子，在水中使阳离子型 PDDA 与具有光敏和催化功能的阴离子型金属卟啉共组装，生成一维光合组装体，成功模拟了藻胆体棒状天线结构和催化中心。

这种光合组装结构展现出惊人的性能，可实现水相光催化产 H₂，其效率相比单体分子提升 23 倍以上，产氢速率和转化数（TON）可达 51,776 μmol h⁻¹ g⁻¹ 和 1299。这一成果为深入理解自然光合作用机制，以及构建更高效的人工光合系统提供了重要的实验依据和理论支持，推动了仿生光合领域在微观尺度上的研究进展。

中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队则在仿生辅酶再生方面取得重要成果，实现了太阳能光电催化仿生 NAD (P) H 辅酶的高效再生，1,4 - NAD (P) H 选择性达到 99%、转化率接近 100%。

团队通过巧妙耦合金属硫化物和有机金属配合物催化剂的优势，大幅提升了 NAD (P) H 再生的活性和选择性。NAD (P) H 作为生物体内重要的辅酶，在能量代谢和物质合成中扮演关键角色。该成果为构建高效人工光合成体系奠定了坚实基础，有望进一步推动人工光合成技术从实验室走向实际应用，助力解决能源和环境领域的关键问题。

中科院在仿生光合反应领域的这一系列突破，涵盖了从宏观材料制备到微观机制探索，从光催化材料创新到辅酶再生优化等多个层面。这些成果不仅展示了我国科研团队在新能源领域的强大创新能力，也为全球可持续能源发展注入了新的活力。随着研究的深入和技术的不断完善，仿生光合技术有望在未来能源格局中发挥重要作用，为实现全球 “双碳” 目标贡献中国智慧和力量 。