围绕二氧化碳减排与资源化利用，如何借助太阳能将二氧化碳转化为可用燃料和化工原料，是实现绿色低碳转型的重要方向之一。科研界长期关注“人工光合作用”路线，期望像植物那样，以二氧化碳和水为原料，转化生成能量载体与高附加值化学品。但从实验室走向规模化应用，关键科学问题仍待突破。 问题于，人工模拟光合作用过程中，光照激发材料产生的电子用于还原二氧化碳，空穴用于氧化水，两类载流子往往寿命极短，容易在材料内部复合而“失活”。这使得还原与氧化反应难以在时间尺度上匹配，反应过程难以同步、持续，导致转化效率与稳定性难以兼顾，也制约了在自然光条件下的实际运行表现。换言之，能量“被激发”并不等于能量“被有效使用”，如何把短暂生成的电子“留住并用好”，成为人工光合作用研究的核心瓶颈之一。 针对该难题，中国科学院地球环境研究所空气净化新技术团队从植物光合作用的生理机制中寻找突破口。植物在光合作用中并非让光生电子立即全部参与反应，而是通过多项过程实现电子的暂存与转运，从而在光照变化和代谢需求波动时仍能维持反应的连续性。基于这一自然启示，研究团队提出“电子存储—精准释放”的材料设计思路：通过定向设计与结构制备，在光照阶段将电子存储于材料内的特定路径或位点，待反应需要时再释放电子参与二氧化碳还原，从而在更长时间尺度上实现对反应速率、反应程度的可调控。 从影响看，这一策略的意义不仅在于提高单次实验的转化效率，更在于提升体系的可控性与工程可行性。二氧化碳转化要面向实际应用，必须能够适应光照强度波动、反应物浓度变化以及装置运行的连续性要求。通过“先存后用”的电子管理方式，可在一定程度上削弱光照不稳定带来的冲击，为稳定运行提供新的调节手段，也为耦合氧化水与还原二氧化碳两类反应提供了时间上的“缓冲区”。 在对策与验证上，团队构建了具有电子存储功能的银修饰三氧化钨材料，并与催化活性组分酞菁钴复合形成催化体系进行验证。测试结果显示，该复合体系的二氧化碳转化效率相较对照体系实现明显提高，体现出电子存储路径促进反应连续性与效率提升上的作用。研究还指出，这一方案具有通用性与可拓展性，可根据不同产物目标与应用场景，设计形成多种结构适配的复合催化剂体系，为后续面向不同转化路线的材料筛选与组合优化提供了方法学基础。 值得关注的是，方案自然光条件下表现出较好的运行稳定性，为太阳能驱动的二氧化碳规模化转化提供了更贴近实际的技术可能。涉及的产物路径指向一氧化碳、甲烷等重要基础化学品和清洁能源载体：一氧化碳可作为合成气关键组分，更用于合成燃料与化工品；甲烷作为可储运的能源形态，可在一定条件下与现有能源基础设施衔接。若未来在能效、选择性、寿命与成本等指标上改进，并完成装置化与系统集成验证，有望为碳资源循环利用提供更具可操作性的技术选项。 前景上，人工光合作用技术从“能做出来”迈向“能用起来”，仍需跨越材料规模制备、长期稳定性、光-热-质传递耦合、产物分离与安全等多重关口。此次提出的通用策略为破解关键瓶颈提供了新路径：通过在材料层面对电子进行“调度”，让反应过程更可控、更贴近连续化运行需求。随着相关基础研究深化和工程化验证推进，二氧化碳资源化利用有望与可再生能源消纳、绿色化工体系建设形成协同，为实现碳达峰、碳中和目标贡献科技支撑。
这项研究展现了仿生学的科学价值；中国科学家通过借鉴自然界的智慧，解决了人工光合作用的关键难题。这不仅推动了基础研究的进步，也为实现碳中和目标提供了切实可行的技术路径。