可持续化学的目标促使化学家在化学反应中使用可再生能源，最大限度地减少有害废物，并最大限度地提高原子经济性。大自然提供了光合作用的蓝图，在阳光照射下，碳水化合物由二氧化碳和水产生。

然而，由于依赖于涉及多种酶和光收集天线的复杂系统，该过程本质上具有较低的太阳能转换效率。人工光合作用系统一直是一项长期的科学追求，并为可持续化学提供了潜在的解决方案。

芝加哥大学林文斌教授领导的团队一直致力于利用框架材料开发人工光催化系统。框架材料是一类由金属和有机构件周期性结合形成的多孔材料。

通过使用尖端技术表征这些材料，研究人员对此类人工系统在分子水平上的运作方式有了深入的了解。这些知识使他们能够对材料进行微调，以适应各种光驱动反应。

在 2024 年 9 月 13 日发表在《碳未来》上的一篇小型评论中，研究人员总结了他们最近在人工光合作用和光催化方面取得的成就，以强调关键进展和未来机遇。

林文斌教授说：“大自然在生物体内进行精密化学反应，制造出复杂的分子，但通常会牺牲效率。”

“我们需要超越自然来应对当今面临的挑战，幸运的是，通过精确控制框架材料的结构和成分，我们已经开发出性能明显优于均质类似物的人工系统。”

该评论阐述了框架材料的化学改性如何微调其在类似光合作用的反应中的性能。

为了实现这些目标，该团队确定了关键成分并验证了它们的作用。光敏剂(如叶绿素)吸收光能。催化剂(如酶)利用这种能量来驱动化学反应。这些具有精心匹配的能量和电子转移动力学的光敏剂和催化剂被整合到框架材料中。

林解释说：“将合适的光敏剂和催化剂加入到框架材料中，可以将其性能提高一个数量级以上，而不像溶液中简单的光敏剂和催化剂混合物那样。”

研究团队利用这些材料在十几种光催化反应中取得了显著的进步。这种进步源于一种“预组织”效应，这种效应也存在于自然系统中，即光敏剂和催化剂被排列在特定的位置以促进化学反应。

骨架材料可通过离心或过滤从反应混合物中轻松回收。回收的材料可用于后续反应，且不会损失催化活性。在一个实例中，骨架材料用于强心剂的八次一锅合成，且催化性能未降低。

林说：“我们相信这一突破对于药品和其他增值产品的可持续合成具有巨大潜力，这些研究努力将有助于实现更加可持续的未来。”

“我们在这里学到的原理可以应用于许多其他系统。”该团队希望他们的评论能够启发其他研究人员在分子水平上合理设计其他催化材料。

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