北京
一个活细胞内，成千上万种化学反应同时进行，却很少互相干扰。线粒体里燃烧着能量，叶绿体中捕获着光子，所有“生产车间”都被膜结构隔开，每个组件都有固定座位——这种精密的区室化组织，是生命化学效率极高的根本逻辑。现在，中国科学院大连化学物理研究所李灿院士团队与内蒙古大学刘健团队，在一个人工纳米空腔里复刻了这套策略，造出一种仿生纳米反应器，能以高速度将水与氧气直接转化为过氧化氢。
研究成果2026年7月8日发表在《美国化学会志》（JACS）。在学界的评价中，这项工作不单是光催化产过氧化氢的效率记录，更重要的在于它证明了：把细胞的“空间管理”与“分子接力”两项设计同时塞进一个人造结构，就能在不改变材料基本成分的前提下大幅提升光合成的速率。
纳米反应器的核心是一个中空的硫化镉（CdS）球，外面裹着一层聚多巴胺壳。这是刻意为之的仿生安排。细胞内部经常靠膜上的氧化还原对来传递质子，速度远比单纯扩散快。李灿团队将细胞中常见的儿茶酚/邻苯醌氧化还原对引入聚合物壳层，让它在光照下反复接受电子又释放电子，不断把质子“接过来、递过去”。这项操作学名叫作质子耦合电子转移（PCET），是水氧化和氧还原得以顺畅对接的关键。同时，多巴胺外壳留下大量微孔，与内部的中空腔室形成天然的分隔：反应物先在壳层富集，然后进入中央腔室完成转化，产物再迅速扩散出去。这种协同效应让光生电子与空穴不容易复合，氧化半反应与还原半反应跑出了接近的步调。
两处设计合在一起,解决了传统粉末光催化中氧还原慢、水氧化快导致的速率失衡。在纯水环境、无牺牲剂的条件下，仅靠可见光照，该系统过氧化氢合成速率达到3.24毫摩尔每克催化剂每小时，太阳能到化学能的转化效率录得1.2%。仅这一个效能数字，就让很多需要在反应液中添加醇类牺牲剂的人工光合体系相形见绌。
更实用的设计在后头。团队将这种粉末状纳米反应器封装进海藻酸钠水凝胶基质中，做成可回收的固体催化剂模块。在自然太阳光下，模块能持续稳定地将水和空气中的氧气变成过氧化氢，不需要外加偏压、贵金属或均相分子催化剂。原位光谱、光电化学测量、有限元模拟和理论计算一致指向：反应遵循Z型异质结机制，氧化还原对充当了电子从水氧化位点输送至氧还原位点的高速通道，而外壳的空腔将光子反复散射、多次利用。
李灿院士说：“这项研究为工程化仿生纳米反应器提供了一条新路线，这类反应器正在越来越完整地复现活细胞的精巧功能，为人工光合作用、能源催化和合成化学打开新的可能。”从材料角度望过去，CdS与聚多巴胺都称不上昂贵，制造路线也不算复杂。一套模拟细胞区室与质子中继的低成本系统，能直接利用阳光生产用途广泛且环境友好的过氧化氢，或许比实验数字本身更令人兴奋。
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