近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）教授熊宇杰、特任教授高超團(tuán)隊(duì)與合作者實(shí)現(xiàn)了人工光合系統(tǒng)的高通量篩選，為未來(lái)高效人工光合系統(tǒng)研發(fā)提供了一種可行性范式。2月27日，研究成果作為封面文章發(fā)表于《自然-催化》。 

期刊封面——基于機(jī)器學(xué)習(xí)加速的人工光合系統(tǒng)高通量篩選。中國(guó)科大供圖

構(gòu)筑光能轉(zhuǎn)化效率更高的人工光合系統(tǒng)，有望為緩解能源環(huán)境危機(jī)、降低碳排放提供新的理論和技術(shù)支撐。在開(kāi)發(fā)高效人工光合系統(tǒng)的過(guò)程中，涉及大量的分子光敏劑和分子催化劑的組合，通過(guò)傳統(tǒng)的反復(fù)試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)極其耗時(shí)。由于缺乏可靠的描述符，業(yè)界一直難以實(shí)現(xiàn)人工光合系統(tǒng)的高通量篩選。

熊宇杰、高超長(zhǎng)期從事人工光合系統(tǒng)的能量耦合與轉(zhuǎn)換機(jī)制研究，在各種體系中凝練出偶極耦合在能量耦合與轉(zhuǎn)換過(guò)程中的普適性作用。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的分子光催化體系實(shí)驗(yàn)研究，建立了人工光合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

進(jìn)一步地，他們與中國(guó)科大教授江俊課題組合作，采用了包含光敏化、電子轉(zhuǎn)移和催化三個(gè)關(guān)鍵步驟的不同描述符，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)加速的分子光催化二氧化碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的高通量篩選策略。該策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)千種不同的分子光敏劑和分子催化劑組合進(jìn)行快速篩選，確定其中的高效人工光合系統(tǒng)，性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

與此同時(shí)，與中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員陶冶和國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室研究員Dimosthenis Sokaras合作，利用時(shí)間分辨譜學(xué)證實(shí)了偶極耦合作為描述符的可靠性，并證實(shí)了偶極耦合在引發(fā)動(dòng)態(tài)催化反應(yīng)過(guò)程中的作用。

該研究提出的描述符——催化劑的二氧化碳吸附能、光敏劑的壽命、源自于光敏劑和催化劑的本征和躍遷偶極的電子耦合，可以制定一種高通量篩選方案，實(shí)現(xiàn)光敏劑和催化劑組合的快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。該方案從3444種光敏劑和催化劑組合中快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出6種高效的分子光催化體系。

研究人員介紹，該研究范式未來(lái)可用于指導(dǎo)高效光化學(xué)均相催化劑的設(shè)計(jì)，促進(jìn)其他催化化學(xué)轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的發(fā)展。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01291-z