仿生电荷储库通过钨价态振荡实现高效以H2O为供体的CO2光还原

把空气和水变成燃料

燃烧化石燃料会向大气中释放二氧化碳，加剧全球变暖并浪费来自太阳的免费能量。本研究探索了一条不同的路径：利用阳光将二氧化碳和水直接转化为有用的燃料，类似于植物在光合作用中的做法。研究人员借鉴了自然界中处理短寿命电荷的巧妙策略，使这种光驱动的化学反应更高效，并且无需依赖浪费性的添加剂。

从绿叶中获得的启示

在天然光合作用中，细胞内有两个采光单元协同工作。一个分解水，释放氧气并释放电子；另一个利用这些电子将二氧化碳转化为富能分子。关键在于，植物使用一种小的载体分子—质体醌—暂时存储并传递电子，防止电子在发挥作用前消失。本文团队试图构建一个人工版的这种暂存系统，使得分水反应和二氧化碳转化可以各自按自己的节奏进行，同时仍保持紧密耦合。

隐藏在矿物微粒中的微型电池

研究人员设计了一种基于三氧化钨的材料，这是一种黄色的类矿物固体，并用单原子银进行修饰。在光照下，该固体中的钨原子可以在两种电荷态之间切换，像微小的可充放电位点一样吸收多余电子并在以后释放。在这种设计中，经银修饰的三氧化钨（称为Ag/WO3）表现为一个微型电荷储库，类似于植物中的质体醌。实验证明，当材料被照亮时，它能在其结构内储存长寿命电子，并在随后将这些电子传递给需要电子驱动化学反应的物质。

帮助催化剂完成艰难工作

单独的Ag/WO3并不能高效地将二氧化碳转化为燃料。突破之处在于将其与专门负责碳化学的“活性组件”配对，例如含钴的类染料分子（茂基钴，cobalt phthalocyanine）、一种称为碳化氮的聚合材料，或氧化铜。这些协同体擅长将二氧化碳转化为一氧化碳或甲烷，但往往因其电子与空穴快速复合而效率下降。当它们与Ag/WO3耦合时，钨材料中储存的电子选择性地消除活性组件中的不需要的正电荷（空穴）。这在二氧化碳被还原的位点保持了高密度的有用电子，大幅提升了生成燃料的反应速率。

显著的性能提升与日常阳光下可行

最显著的例子是茂基钴与Ag/WO3的组合。在纯水中并在模拟阳光下，这种混合体系产生一氧化碳的速率约为单独茂基钴的100倍，可与那些需要加入有机“牺牲”化学品来清除空穴的体系相媲美。将Ag/WO3与碳化氮或氧化铜配对时也观察到类似的性能提升，而且该方法不仅在实验室灯光下有效，在户外真实阳光下同样可行。对光生电荷迁移与复合行为的精细测量证实，钨–银支撑体反复“充放电”，稳定电子并在所需时间与位置将其输送到反应中。

用于太阳燃料的多用途蓝图

对非专业读者而言，主要信息是作者构建了一个微小的、可充电的电子“缓冲器”，使得多种催化剂能更高效地将二氧化碳和水转化为燃料，而无需消耗一次性的辅助化学品。通过分离职责—一种材料专注于分解水并储存电荷，另一种专注于重塑二氧化碳—该系统变得既更灵活又更稳健。这种仿生策略为未来太阳燃料装置提供了通用的蓝图，未来有望在有意义的规模上将阳光、空气和水转化为碳中性燃料。

引用: Huang, Y., Shi, X., Zhang, H. et al. Bioinspired charge reservoir enables efficient CO₂ photoreduction with H₂O via tungsten valence oscillation. Nat Commun 17, 2204 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68991-3

关键词: 人工光合作用, CO2还原, 太阳燃料, 光催化剂, 氧化钨