杂化多级纳米结构的组装及可见光催化机理研究

Inspired plants’ photosynthesis in nature, by the strategy of self-assembly, well-defined hierarchical nanostructures will be designed and prepared to integrate with asymmetric photosystem II (PSII) for the construction of highly efficient and stable hybrid optoelectric devices under visible light. Hierarchical nanostructures including reduced grapheme oxide nanosheets, conductive polymers nanowalls and titanium oxide photonic crystals will be fabricated by limited hydrothermal reactions or gel-sol reactions under the assistance of soft or hard templates. Furthermore, by intermolecular weak electrostatic interactions or click chemistry, PSII after separation and purification from spinach will be uploaded on the interface of hierarchical nanostructures above in an oriented manner. Thus, it will build up biooptoelectronic systems with highly efficient light harvesting, fast charge separation, high electron transfer and long life. The effect of nanostructure and interface on immobilization, reconstitution and photocatalysis efficiency of PSII will be investigated. The inner relationship between structure, property and function will be demonstrated in detail. Synergetic catalysis from building blocks in the integrated system will be evaluated and relevant physicochemical mechanisms will be elucidated. Also, the assembly will be used to produce photocurrent, hydrogen and oxygen under sunshine. It will open a new biomimetic route to develop clean energy during carrying out this project.

利用组装技术，设计并可控制备多级有序纳米结构材料，表面修饰后与非对称性光系统II（PSII）定向界面复合，通过模拟自然界中植物光合作用，构筑高效而稳定的“自然-人工”杂化可见光催化体系。主要研究内容包括通过模板辅助下的限制性水热合成法和溶胶-凝胶法制备多级纳米结构，包括石墨烯纳米片、导电聚合物纳米墙以及二氧化钛光子晶体等。进一步在上述纳米结构表面利用静电吸附或“点击化学”将分离纯化后的PSII进行高载有量的定向固定，建立可见光捕获强、光生电荷分离快、电子迁移率高和寿命长的杂化光催化体系。重点研究纳米材料的结构及其表面修饰对生物光电器件中PSII组装行为、重组能力和催化性能的影响和规律，详细阐明杂化体系结构-性质-功能之间的内在关系，评估组装体各基元协同催化效应并揭示相关物理化学机制，探索其在太阳光下光解水产生电流、氢气与氧气的可行性，开发清洁能源制备的新途径。

本项目利用分子组装技术，设计并可控构筑了系列多级有序的纳米结构功能材料，与光合作用中的关键生物大分子光系统II（PSII）进行共组装，有效模拟了自然界中叶绿体的结构和功能，获得了多种高效的“自然-人工”杂化催化体系。在项目执行四年期间，主要研究进展如下：利用模板法，制备了多种多级纳米结构的无机和有机材料，包括导电聚合物纳米线阵列、二氧化硅纳米管阵列以及二氧化钛多孔纳米线等。将上述多级纳米结构与分离纯化后的PSII进行共组装，详细研究了功能纳米材料的结构及其表面对PSII组装行为、重组能力和光催化性能的影响，重点阐明了组装的生物杂化体系中各基元协同作用的相关物理化学机制，主要开展了杂化组装体系光能到电能转换以及光能到化学能转化的应用研究，最终获得了高效而稳定的PSII基功能组装体系，为构筑新型生物光电器件以及提升农作物产量提供了新思路。