【成果掠影 & 研究背景】

化石燃料仍是全球主要能源，但其使用导致约70%的二氧化碳排放。太阳能作为可再生资源，每小时抵达地球的能量远超人类年消耗量，但如何高效利用仍是挑战。自然光合作用通过光吸收、水氧化、能量存储和二氧化碳还原四步过程，将太阳能转化为碳水化合物，为人工太阳能技术提供了重要灵感。题为“Solar utilization beyond photosynthesis”的文章系统综述了受自然光合作用启发的先进太阳能利用技术，包括光伏发电（STP）、光催化（STC）、光电化学转换（STEC）、光充电电池（STES）和太阳能热串联技术（STT）。文章指出，通过仿生策略开发的钙钛矿太阳能电池效率已达25.7%，光催化水分解的太阳能转化效率最高达2.0%，光充电电池则实现了太阳能到电化学能的直接存储。这些技术通过分阶段模拟光合作用的关键步骤，为解决能源存储与转化难题提供了新思路。

【综述概要 & 图文摘要】

  1. 1.分阶段仿生策略

    将自然光合作用分解为光吸收、水氧化、能量存储和CO₂还原四阶段，分别对应光伏、光催化、光充电电池等技术模块化设计。

  2. 2.多技术集成

    提出光伏-电解、光伏-电池等双功能集成装置，突破单一技术效率限制。

  3. 3.材料创新

    仿生OEC（水氧化簇）开发的钴/铁基催化剂，水氧化周转频率达1900 s⁻¹，接近天然酶水平。

  4. 4.光热协同利用

    开发太阳能热串联技术，利用红外光补充传统光电转化盲区。

  5. 5.分子级能量管理

    基于Z型电子传递机制设计的双光催化剂系统，实现高效电荷分离与利用。

图1：摘要图

图2：自然光合作用四步关键光电化学过程

图3：仿生光捕获与电荷转移的太阳能发电技术

图4：Z型人工光合系统与CO₂光催化还原能级图

图5：太阳能与化学转化系统

图6：太阳能与光热转化利用

【总结 & 原文链接】

本文系统梳理了自然光合作用对太阳能利用技术的启发，从光捕获材料设计到多电子催化机制，展示了仿生策略在提升能量转化效率方面的巨大潜力。未来技术发展需进一步解析天然酶的结构-功能关系，开发更高稳定性的集成装置，并探索超越自然光合作用效率的新型材料体系。通过跨学科融合与多技术协同，仿生太阳能利用有望为碳中和目标提供关键技术支撑。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41570-022-00434-1

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