人工叶绿体复合光子构型可控仿生构筑及其CO2光还原调控机制研究

基本信息
批准号:51772191
项目类别:面上项目
资助金额:60.00
负责人:周涵
学科分类:
依托单位:上海交通大学
批准年份:2017
结题年份:2021
起止时间:2018-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈玉洁,邹蓉,许军,唐兴伟,安童,谢培文,王鑫
关键词:
结构设计人工叶绿体复合光子构型光催化CO2转化
结项摘要

Artificial photosynthesis inspired by nature is a hot research field in recent years which is an innovative technique for CO2 conversion into green energy. The concept of bioinspiration is of high significance for this area. The key strategy is the establishment of bioinspired models and further bioinspired construction. In the project, inspired by the relationship between chloroplast’s high energy conversion efficiency and their photonic structures, we put forward a new pathway for the multi-integrated hierarchical photonic structures design and multi-scale assembly of bioinspired artificial chloroplasts, to realize selectively light absorption and CO2 photoreduction control. Aimed to solve the key scientific problems of optimized structure design and bioinspired construction, the project will systematically carry out fundamental research on structure design, controlled assembly and the realization of high efficiency visible light absorption and CO2 photoreduction with the integration of plasmonic nanoantennas. Optical simulation will be used to reveal the optical mechanisms, build up optimized models and develop structures design principles. Self-Assembly approach and nanoimprint techniques are combined for the construction of bioinspired hierarchical photonic structures. Based on the synergy of hierarchical photonic structures and localized surface plasmon resonance, we aim to reveal the mechanism of light absorption manipulation, electric-field enhancement and CO2 photoreduction activity control. Based on the theoretical study and experimental results, the project can provide theoretical basis and experimental support for artificial photosynthetic materials/devices, and also provide new pathways for the biomimetic design and synthesis.

人工光合成是受光合作用启发的热门领域,是CO2转化为绿色能源的创新技术。借助仿生理念具有重要价值其关键核心问题是仿生模型的洞悉与演化及其模拟构筑。本项目启迪于叶绿体高效能量转换与其光子结构关联,结合多学科交叉提出人工叶绿体复合光子构型设计与可控多级组装的新思路,实现有选择性的光谱裁剪操控及CO2光还原调控。基于自然启迪模型结合人工的可设计性,解决体系构型优化设计与构筑的关键科学问题,系统开展通过结构调控、可控构筑及等离激元耦合实现高效可见光吸收及CO2光还原的仿生体系的基础研究。基于光学模拟揭示复合光子构型光学机制,建立理论模型, 发展结构设计准则;开拓基于自组装结合纳米压印等技术实现多级构筑的新途径;研究并揭示复合构型与等离子体共振耦合所致光吸收、电场增强及CO2光还原调控机制。基于理论研究和实验验证,为人工光合成材料及器件提供理论依据和实验支持,为仿生材料的设计和构筑提供新途径。

项目摘要

人工光合成是受光合作用启发的热门领域,是CO2转化为绿色能源的创新技术。借助仿生理念具有重要价值其关键核心问题是仿生模型的洞悉与演化及其模拟构筑。本项目启迪于自然生物高效能量转换与其光子结构关联,结合多学科交叉提出仿生人工树叶、人工叶绿体、人工硅藻等复合光子构型设计与多级组装的新思路,实现有选择性的光谱裁剪操控及CO2光还原调控。基于理论模拟与实验验证揭示仿生复合光子构型光谱操控的光学机制,建立理论结构模型,揭示复合光子构型与等离子体共振耦合产生局域热点实现宽带光吸收增强及CO2光还原性能增强的机制。发展了基于光刻结合纳米压印技术、三维直写技术、复合刻蚀技术结合双旋涂热固化法等技术实现仿生多级构筑的新途径,创制了仿生二氧化钛陶瓷等多种功能复合材料,为仿生合成提供了新工艺。同时,本项目将仿生光子构型拓展到中红外波段,实现太阳能多波段光谱高效调制,为仿生光子材料拓展了新的功能与应用。.本项目在Advanced Functional Materials、Chemistry of Materials等专业期刊发表文章8篇,应邀在美国化学会年会等国内外重要学术会议作特邀报告7次,申请国家发明专利2项,培养硕士研究生3名,3名获得上海交通大学材料学院优秀硕士学位论文。项目负责人获第四批万人计划青年拔尖人才资助,德国出版社WILEY优秀青年学者奖,任中国材料学会青委会理事。项目负责人作为第四完成人获得2020年国家自然科学奖二等奖。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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