仿生微环境调控与催化位点设计协同增强铜-邻菲罗啉催化剂析氧性能研究

来自国内的研究人员针对太阳能驱动水分解中氧析出反应(OER)动力学缓慢的难题，创新性地将铜-邻菲罗啉([Cu])分子催化剂与氨基酸功能化碳点(CDs)结合，构建了仿生催化微环境体系。该研究实现了高达4.11×104 s-1的转化频率(TOF)，超越天然光系统II(PSII)活性，并建成太阳能-氢能(PVE)转换效率达11.59%的催化系统，为发展高效仿生能源转换材料提供了新范式。

　　

自然界的光系统II(PSII)通过锰簇(Mn₄CaO₅)在温和条件下实现100-300 s^-1的高效水氧化，其奥秘不仅在于活性中心，更依赖氨基酸残基构建的质子传递微环境。受此启发，科学家设计出两种羟基修饰的铜-邻菲罗啉配合物——Cu(phen)和Cu(dophen)，它们展现出74 s^-1和5.66×10³ s^-1的惊人转化频率。

研究团队巧妙引入组氨酸(His)功能化碳量子点(CDs)，模拟酶活性中心的次级配位层。这些纳米尺度的"分子脚手架"不仅稳固锚定铜催化剂，其表面氨基酸残基更通过动态氢键网络实现"质子摇摆"效应，将催化活性进一步提升至4.11×10⁴ s^-1，远超自然界PSII的效能。电化学测试显示，羟基修饰使Cu(dophen)的Cu^III/Cu^II氧化电位负移至1.08 V_NHE，证实配体电子效应对高价铜中间体的稳定作用。

这项研究将光伏组件与催化剂耦合，建成仿生太阳能-氢能(PVE)转换系统，在AM 1.5G光照下实现11.59%的能量转换效率，创下铜基催化体系的最高记录。这种"活性位点设计-微环境调控"双引擎策略，为开发新一代人工光合系统提供了崭新思路。