中国科学院上海有机化学研究所田佳研究员团队与复旦大学合作在人工光合组装体研究中取得重要进展。研究人员成功构建了一类新型球形色素体纳米胶束，同时实现了LH2与LH1–RC超级复合物结构模拟及水相高效光催化制氢，该系统的催化转化数(TON)突破667,000。该成果以"Artificial Spherical Chromatophore Mimicking LH2 and LH1–RC for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Production with Turnover Number >667,000"为题，于2026年2月18日长文(Article)形式在线发表于Journal of the American Chemical Society 杂志。
光合生物在长期进化过程中演化出了近乎完美的光捕获系统，其中紫细菌的光捕获复合物(LH2和LH1–RC)通过环状蛋白骨架精准排布细菌叶绿素分子形成环形阵列结构，实现了超过95%的量子效率。受这一精巧结构启发，田佳团队设计了一种两亲性卟啉基细菌叶绿素类似物(BChlA)分子，通过自组装在无蛋白骨架条件下构建超分子阴离子型卟啉组装体(SAPA)，并进一步与带正电的镍基分子催化剂(DuBois-type催化剂)通过分级共组装精准结合，成功实现了对天然色素体"天线-反应中心"关键超级复合物结构的模拟(图1a)。
该研究的关键突破在于首次通过冷冻电镜技术直接观测到仿生体系中卟啉环状阵列形成的高分辨关键证据。研究团队在纳米胶束表面清晰分辨出约22个环状亚基，每个环由12个卟啉分子组成，纳米胶束表面通过超分子多价性耦合催化反应中心，形成了类似天然LH1–RC结构的核心反应区，为通过结构仿生设计新型人工光合组装体提供了新的思路和方法(图1b)。稳态吸收光谱研究表明，当催化剂与卟啉阵列结合后，体系的Soret吸收峰从424纳米红移至436纳米，Q带同步位移，形成了类似于天然色素体中B850向B875的吸收和能量传递路径转变(图1c)。
在光催化性能方面，该人工色素体系统展现出卓越的水相可见光驱动的催化产氢活性与稳定性。在可见光(AM1.5G，420 Cut-off Filter)照射下，该组装体体系的产氢效率比非组装的自由分子体系(ZnTCPP对照组)提升40倍。连续运行72小时后，催化位点TON达到667,321，在24小时内测定的外量子效率(EQE)达6.8%(435纳米)(图2a–c)。飞秒瞬态吸收光谱(fs-TAS)研究揭示了高效催化的微观动力学机制，组装体中光生电子从卟啉三线态向催化剂转移时间缩短至皮秒量级，而电荷分离态寿命延长至1.35纳秒，形成了“快速转移、缓慢复合”的电荷分离态，有效抑制了能量耗散(图2d–f)。
综上所述，该研究不仅成功模拟了天然光合系统LH2和LH1-RC超级复合物结构和功能上的核心特征，还发展了一种基于超分子组装策略构建水相高效人工光合产氢体系的新途径，为面向太阳能燃料合成系统的设计和机制解析提供了重要结构基础和机制解析思路。
以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委、上海有机所以及金属有机化学全国重点实验室和黎占亭教授的大力资助和支持。
