2月19日，美国能源部（DOE）宣布未来5年将资助1亿美元支持人工光合系统制太阳能燃料技术研发^[1]，旨在通过组建一个或两个由跨学科、多机构组成的联合研究中心，整合研究力量，联合攻关，解决人工光合系统制太阳能燃料（光催化分解水制氢、固定二氧化碳制碳氢燃料或高价值化学品）面临的理论机理、应用基础、材料组件等领域一系列问题，实现太阳能到液体燃料或高价值化学品的经济高效转化。资助的项目将聚焦四大优先研究方向。

　　1、探明人工光合系统工作和性能衰退机理。从原子和分子水平逐步深入认识光合系统光/电转化、传输过程、热力学、动力学和降解机理；设计、开发高性能和长寿命的人工光合系统组件，如高效、稳定、高活性的低成本催化剂，高选择性隔膜等；在材料和组分水平上进行耐久性的科学预测，以指导最佳材料和组件的制备和选择。

　　2、控制催化剂微环境提升产物选择性和太阳能到燃料转化效率。在分子水平上探测、理解和调控催化剂活性位点周围局部区域的结构、组分和动力学以调控反应过程中关键化学键生成和断裂的步骤，进而影响催化反应化学路径；如研究、探测和控制催化剂与载体、光吸收剂、电解质和其他组分的相互作用；了解催化剂活性位点微环境如何影响反应物、产物、电子和质子输运，最终如何影响产物选择性和性能降解。

　　3、在时间和空间尺度上将太阳光激发和化学反应两个过程衔接起来。目前，大多数人工光合系统制太阳能燃料的方法都将太阳光吸收激发和随后的化学转化这两个过程分离，但实际上完整的人工光合系统工作流程涵盖了这两个过程。因此开展相关基础研究，如光与物质的相互作用、强电子耦合、光诱导的结构变化等，将光吸收激发和化学反应转化过程直接耦合，有助于全面理解人工光合系统的工作机理，指导人工光合系统设计开发，实现更高效率的光捕集、激发和太阳能到燃料转化。

　　4、调谐复杂现象的相互作用提升多组件集成的人工光合系统性能。人工光合系统是个多组件（阴阳极、催化剂、隔膜、电解质等）集成耦合的组成，如何实现众多分子、材料和组件性能的高效集成是人工光合系统的关键挑战，因为简单地将上述单个组件叠加可能无法发挥与本身单个组件单独存在时同等的效能。因此需要多组件集成和相互作用开展基础研究，以更好地理解集成系统中单个组件多尺度过程如何相互作用和影响集成组件最终功能，用于指导预测模型的开发，并使组件的协同设计成为可能，从而助力高效、高选择性和长寿命人工光合系统开发。

　　美国能源部已于2010年资助由加州理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室牵头成立了“人工光合系统联合研究中心”（JCAP），2010～2014年获得第一轮资助1.2亿美元，2015～2019年获得第二轮资助7500万美元。JCAP致力于建立一套完整的人工光合系统，利用太阳能、水和二氧化碳制取燃料, 能量转化效率达到10%。             （郭楷模）