基于酶-光偶联模型的光合作用介尺度机制探索

The photosysthesis process in nature is one of ideal prototypes for mesosceience research, however, the study on the mesoscale mechanism and manipulation of phtosysnthesis process remains disclosed. This project aims at establishing an enzyme-photo coupling model by mimicking the photosynthesis process counterpart, exploring the mesoscale mechanism and directional manipulation in coustruction process and reaction process of enzyme-photo coupling model. The processes involved in this project belong to “reaction media and catalytic materials” level of mesoscience and encompasses the following two important mesoscale issues: 1) the mesoscale mechanism and manipulation in the construction process of enzyme-photo coupling model and the mesoscale mechanism and manipulation in the reaction process of enzyme-photo coupling model. Three key scientific issues are specially investigated: synergistic optimization of mesoscale structure and behavior in the construction process of enzyme-photo coupling model, synergistic optimization of mesoscale structure and behavior in the reaction process of enzyme-photo coupling model, synergistic optimization of the construction process and reaction process of enzyme-photo coupling model. It is expected that the implementation of this project will establish new methods and theories for controlled construction of enzyme-photo coupling model as well as quantitative optimization of reaction process in enzyme-photo coupling model, offer useful exploitation of probing photosynthesis from viewpoint of mesoscience, render a novel prototype for the investigation of mesoscale mechanism and manipulation in multiphase reaction process, provide useful guidance for the multidisciplinary fields spanning from chemical engineering to materials science, meanwhile, contribute new materials and pathway for green and efficient conversion of carbon dioxide.

自然界中的光合作用是介尺度科学的理想原型之一，但目前关于光合作用介尺度机制及调控方面的研究未见报道。本项目模拟光合作用，构建酶-光偶联模型，研究其构建与反应过程中的介尺度机制及定向调控。该项目所涉过程属介尺度科学研究中“反应介质与催化材料”层次，涵盖两个重要介尺度问题：1）酶-光偶联模型构建过程的介尺度机制及调控；2）酶-光偶联模型反应过程的介尺度问题。需重点解决如下关键科学问题：酶-光偶联模型构建过程中介尺度结构和行为的协调优化，酶-光偶联模型反应过程中介尺度结构和行为的协调优化，酶-光偶联模型构建过程和反应过程的协调优化。期望通过本项目的开展，获得酶-光偶联模型可控构建、酶-光偶联模型反应过程优化的新方法和理论，为从介尺度科学角度研究光合作用提供尝试，为多相反应过程的介尺度机制及调控研究提供新原型，为化工、材料等多学科的介尺度问题研究提供参考，为CO2的绿色高效转化提供新材料和新工艺。

自然界中光合作用是介尺度科学的理想原型之一，但目前关于光合作用介尺度机制及调控方面的研究未见报道。本项目模拟光合作用，构建了酶-光偶联模型系统，重点围绕系统构建和反应过程中光催化剂制备及辅酶再生过程、酶催化剂制备及酶催化过程、酶-光催化偶联催化过程三个方面的介尺度过程和机制开展研究。一、设计制备了系列g-C3N4基光催化剂，通过协调优化光吸收-载流子传递-表面反应，揭示了光催化剂构建和反应过程的介尺度机制，实现了辅酶再生过程的高效强化，辅酶再生过程初始反应速率达7.7 mmol g-1 h-1。二、设计制备了微囊型和整体型酶催化剂，利用仿生涂层技术实现了酶分子的高效固载，揭示了载体与酶构象之间的介尺度机制，实现了酶催化过程的高效强化，循环使用16次，酶活维持率接近90%。三、耦合光催化和酶催化过程，揭示了酶-光偶联系统的介尺度机制，实现酶-光偶联系统的性能强化，甲醇收率达90%。经过项目开展，初步解决了如下关键科学问题——酶-光偶联系统构建过程中介尺度结构和行为的协调优化，酶-光偶联系统反应过程中介尺度结构和行为的协调优化，酶-光偶联模型构建过程和反应过程的协调优化。进而，获得了酶-光偶联模型可控构建、酶-光偶联模型反应过程优化的新方法和新理论，为从介尺度科学角度研究光合作用提供了新尝试，为多相反应过程的介尺度机制及调控研究提供了新原型，为化工、材料等多学科的介尺度问题研究提供了参考，为CO2的绿色高效转化提供了新材料和新工艺。相关研究成果在ACS Nano、ACS Catalysis、Advanced Functional Materials等期刊发表SCI论文26篇。