中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所 與中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所和復(fù)旦大學(xué)合作，在人工光合組裝體研究中取得重要進(jìn)展。研究人員成功構(gòu)建了一類新型納米片層狀卟啉組裝體，首次實(shí)現(xiàn)了卟啉小分子在水相中的二維可控嵌段型異質(zhì)組裝體結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，并系統(tǒng)地研究了其激子傳遞和電荷分離特性。該成果以"Controlled assembly of two-dimensional porphyrin heterostructures toward directed energy transfer and charge separation"為題，于2026年6月19日長(zhǎng)文（Article）形式在線發(fā)表于《Nature Communications》雜志。

光合生物演化形成的光捕獲系統(tǒng)中，色素的精準(zhǔn)排列是實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)移效率的前提。綠小體作為一類較為簡(jiǎn)單的光捕獲天線，由細(xì)菌葉綠素分子在沒有蛋白質(zhì)支架輔助的情況下自組裝成高度有序的陣列構(gòu)成。受這一精巧結(jié)構(gòu)啟發(fā)，田佳研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一項(xiàng)突破性進(jìn)展，即構(gòu)建了三嵌段卟啉兩親分子在水中的二維組裝體，該體系利用外延生長(zhǎng)策略構(gòu)筑可控異質(zhì)結(jié)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)可控二維卟啉組裝體調(diào)控能量漏斗效應(yīng)及電荷分離激發(fā)態(tài)的直接觀測(cè)和機(jī)制解析（圖1）。

圖1. 二維可控卟啉基組裝體構(gòu)筑及其外延生長(zhǎng)過程示意圖。

二維可控卟啉陣列具有與天然結(jié)構(gòu)的相似性，如何在水相中實(shí)現(xiàn)其可控異質(zhì)組裝、同時(shí)完成序列性能量傳遞并解析激發(fā)態(tài)躍遷機(jī)理，是該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，本研究的關(guān)鍵突破在于成功構(gòu)建了首個(gè)卟啉二維可控異質(zhì)組裝平臺(tái)。我們?cè)O(shè)計(jì)了一類陽離子型兩親性鋅卟啉，整合了π-π作用、氫鍵以及疏水作用單元協(xié)同組裝以形成二維形貌，提出了其錯(cuò)位雙分子層的組裝模型和介穩(wěn)態(tài)中間體介導(dǎo)的組裝機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，種子生長(zhǎng)/外延生長(zhǎng)方法不僅可以制備尺寸可控的二維鋅卟啉組裝體，還可以構(gòu)建具有供受體分區(qū)的鋅鈷卟啉嵌段異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)顯示出具有空間分布的平均熒光壽命，證實(shí)了其內(nèi)外側(cè)鋅鈷卟啉的空間分布（圖2）。熒光淬滅和飛秒-瞬態(tài)吸收（fs-TAS）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，得益于兩者的供受體耦合，二維嵌段異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的激子遷移速率（k1）較未加入鈷卟啉受體時(shí)（k1’）提升了最高2.5倍，并驅(qū)動(dòng)了電荷分離態(tài)的形成（圖2）。此外，激發(fā)態(tài)衰減速率與納米片層的面積具有協(xié)同關(guān)系，這與天然天線系統(tǒng)相仿。

圖2. 二維可控異質(zhì)卟啉基組裝體的表征及能量傳遞和電荷分離機(jī)制。

綜上所述，該研究建立了一種路徑調(diào)控策略，構(gòu)建了可控的二維卟啉組裝平臺(tái)，為先進(jìn)人工光合作用系統(tǒng)的性能調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

以上工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、上海市科委、上海有機(jī)所以及金屬有機(jī)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力資助和支持。

上海有機(jī)所田佳研究員及團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于模擬天然光合系統(tǒng)構(gòu)筑高效人工光合體系，于2023年報(bào)道了首例仿紫色光合細(xì)菌色素體構(gòu)筑的有機(jī)超分子人工光合組裝體用于水相常溫高效CO2還原制CH4（Nat. Catal. 2023, 6, 464–475）；并于2024年報(bào)道了模擬藻膽體構(gòu)建水相人工光合組裝體用于光催化產(chǎn)H2(Angew. Chem. In. Ed. 2024, 63, e202315599)；于2025年報(bào)道了仿羧酶體人工光合系統(tǒng)組裝級(jí)聯(lián)多酶協(xié)同催化CO2還原至甲醇（Angew. Chem. In. Ed. 2025, 64, e202516599）；于2026年報(bào)道了LH2與LH1–RC超級(jí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)模擬及水相高效光催化制氫（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 8437?8446）和仿綠小體含氟納米帶高效光催化制氫（J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 11127?11137）。團(tuán)隊(duì)受邀撰寫相關(guān)綜述，總結(jié)光合細(xì)菌啟發(fā)的人工光合系統(tǒng)模擬綠小體、色素體和藻膽體等光合系統(tǒng)的進(jìn)展（ChemCatChem 2024, 16, e202401365）；光合紫菌環(huán)狀光捕獲陣列和反應(yīng)中心的構(gòu)筑策略及LH1-RC復(fù)合物的模擬進(jìn)展（Artif. Photosynth. 2025, 1, 293）；以及自然和人工系統(tǒng)的光合反應(yīng)路徑（Sci. China Chem. 2024, 68, 2820）。課題組長(zhǎng)期招收博士生和博士后（年齡<35周歲），有意者請(qǐng)聯(lián)系田老師(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。