中国科学院上海有机化学研究所田佳研究员团队在人工光合组装体研究中取得重要进展。研究人员成功构建了一类新型纳米带状含氟BODIPY组装体，实现了1150 μmol·g−1·h−1的高光催化制氢速率，并具有优异的稳定性和可回收性。该成果以"Hierarchical Assembly of Fluorinated BODIPY-Based Nanoribbons for Highly Efficient Metal-Free Photocatalytic Hydrogen Production"为题，于2026年3月2日长文（Article）形式在线发表于《Journal of the American Chemical Society》杂志。

光合生物在长期进化过程中演化出了近乎完美的光捕获系统，其中绿小体是一种由数千个细菌叶绿素分子组成的独特天线系统，这些分子在没有蛋白质支架辅助的情况下自组装成高度有序的阵列，实现了接近100%的能量转移效率。受这一精巧结构启发，田佳团队设计了一种两亲性含氟BODIPY类似物（PBAF）分子，通过自组装在无蛋白骨架条件下构建超分子纳米带多级光合组装体，并在不添加任何金属催化剂的情况下，成功实现了光催化制氢功能（图1）。

本研究的关键突破在于成功构建了首个通过层级组装的BODIPY仿生绿小体系统。该系统由两亲性BODIPY衍生物（PBAF）经一步自组装形成纳米带，提供了一种直接且可扩展的人工绿小体模拟方案。引入的全氟烷基链通过氟-氟相互作用驱动紧密的分子堆积，从而增强了光捕获阵列的天线效应并提升了组装体的结构稳定性。本研究首次揭示了基于阵列增强的光催化产氢机理。研究发现，氟诱导的紧密分子堆积促进了电荷分离与离域，稳定了自由基中间体，使得关键PyH•物种得以直接观测，其寿命超过5 ns，进而促进了自由基偶联产氢过程。此外，电荷分离态表现出较慢的弛豫速率（2.2 × 109 s−1），为催化反应提供了更长的时间窗口。

该BODIPY纳米带仿生组装人工光合体系展现出优异的光催化产氢性能，在无金属条件下实现了162.5 μmol·g−1·h−1的产氢速率，分别达到不含氟组装体（PBAH）和非组装的自由分子体系（PB）的10倍和30倍。在优化条件下，最高产氢速率可达1150 μmol·g−1·h−1，优于文献报道的大多数同类基准体系。该系统展现出高效的水相模拟太阳光驱动的催化产氢活性与稳定性。在模拟太阳光（AM1.5G）照射下，连续运行30天后，在24小时内测定的表观量子效率（AQY）达0.42%（550纳米）；并表现出优异的可循环使用性，经五次24小时循环后活性保持率超过90%（图2a–c）。电子顺磁共振（EPR）揭示了吡啶自由基介导的H-H偶合制氢机制；飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）研究表明了组装体对光反应活性中间体的稳定化作用。组装体表现出更快的内转换速率（k1 = 2.6 × 1012），和更慢的辐射跃迁过程（k2 = 2.2× 109），表明分子可以更快的到达催化活性的三线态并且延长其寿命。值得注意的是，质子化吡啶单元的吸电子效应会诱导快速电荷分离，形成稳定的 PyH•-BODIPY•+物种（k3 = 8.3× 1010）。（图2d–f）。

综上所述，该研究成功模拟了天然绿小体复合物的核心结构特征，揭示了阵列增强光催化的机理，并提出了一种合理的设计策略，为构建高性能仿生人工光合系统及太阳能燃料合成体系提供了重要的结构基础和机理研究思路。

论文信息：

DOI: 10.1021/jacs.5c22856

链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22856

图1. 仿绿小体含氟BODIPY纳米带光合组装体的制备与制氢示意图。

图2. 含氟BODIPY纳米带人工光合组装体的光催化产氢性能及机制解析。

以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委、上海有机所以及金属有机化学全国重点实验室和黎占亭教授的大力资助和支持。

上海有机所田佳研究员及团队长期致力于模拟天然光合系统构筑高效人工光合体系，于2023年报道了首例仿紫色光合细菌色素体构筑的有机超分子人工光合组装体用于水相常温高效CO2还原制CH4（Nat. Catal.2023,6, 464–475）；并于2024年报道了模拟藻胆体构建水相人工光合组装体用于光催化产H2(Angew. Chem. In. Ed.2024,63, e202315599)；于2025年报道了仿羧酶体人工光合系统组装级联多酶协同催化CO2还原至甲醇（Angew. Chem. In. Ed.2025,64, e202516599）；于2026年报道了LH2与LH1–RC超级复合物结构模拟及水相高效光催化制氢（J. Am. Chem. Soc.2026, DOI: 10.1021/jacs.5c19395）。团队受邀撰写相关综述，总结光合细菌启发的人工光合系统模拟绿小体、色素体和藻胆体等光合系统的进展（ChemCatChem2024,16, e202401365）；光合紫菌环状光捕获阵列和反应中心的构筑策略及LH1-RC复合物的模拟进展（Artif. Photosynth.2025, 1,293）；以及自然和人工系统的光合反应路径（Sci. China Chem.2024,68, 2820）。

课题组长期招收博士生和博士后（年龄<35周岁），有意者请联系田老师(Email: tianjia@sioc.ac.cn)。