仿细胞纳米反应器：用阳光制取过氧化氢

这项研究发表于《美国化学会志》。由中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队主导，联合内蒙古大学刘健教授团队共同完成。研究聚焦于‘纳米细胞工程’——即模仿活细胞的精密结构与功能，设计人工纳米反应器。活细胞之所以高效，关键在于将各类分子精准定位在微小空间内，让它们在受控环境中快速反应。研究人员据此构建了一种新型纳米反应器：其外壳由聚多巴胺构成，内部含动态邻苯二酚/邻苯醌氧化还原对，它不直接泵送质子，而是像‘质子中转站’一样反复接收和释放质子，从而加速质子耦合电子转移（PCET）这一关键过程；同时，反应器具有分隔式结构——纳米级空心腔被多孔壳包裹，既富集反应物，又促进分子扩散，并有效捕获入射光，提升光驱动反应效率。这两项仿生设计协同优化了产双氧水所需的两个半反应（氧气还原与水氧化）速率匹配问题。在可见光照射的水溶液中，该反应器每小时每克催化剂可生成3.24毫摩尔双氧水，太阳能到化学能转化效率达1.2%。研究人员通过原位光谱、光化学分析、有限元模拟和理论计算等多种手段，证实其遵循类Z型异质结光催化机制。为进一步提升实用性，团队将纳米反应器嵌入天然、无毒的海藻酸钠水凝胶中，制成固体、可回收的光催化剂，在自然阳光下持续稳定产双氧水。李灿院士指出，这项工作为构建越来越接近活细胞功能的仿生纳米系统开辟了新路径，有望推动人工光合作用、能源催化和合成化学的发展。