近日，黑龙江大学李玉鑫教授团队联合中国科学院理化技术研究所张铁锐教授等，在太阳能化学转化与人工光合作用领域发表重要综述。自然光合作用通过光捕获、电荷分离、多电子催化和碳固定储存太阳能，并具备调控、光保护和损伤修复能力；人工光合作用则利用人工设计的光吸收材料与催化位点，将太阳能转化为氢气等化学燃料。两者在目标产物、功能需求和运行条件上存在差异，如何科学比较并提炼设计原则，是该领域的重要问题。相关成果以“Natural Versus Artificial Photosynthesis: Pushing Beyond Nature’s Limits to Deliver Low-Cost Solar Fuels”为题，于2026年10月26日在线发表于国际知名学术期刊《Advanced Materials》。

文章围绕自然光合作用（NP）与人工光合作用（AP）的关键机制开展功能对照，系统梳理光捕获、电荷分离与电子传递及催化反应等核心环节。自然光合作用依托光系统Ⅱ、细胞色素复合体和光系统Ⅰ协同完成光能利用、电子传递与水氧化，并通过D1蛋白修复循环维持光系统功能；人工光合作用则借鉴这些关键过程，将光吸收、电荷传输和氧化还原催化等功能整合到人工设计的材料与催化体系中。文章进一步以光催化分解水为例，展示光捕获单元、激发态光敏剂、电子给受体及氧化还原催化中心的协同工作流程，为构建高效人工光合作用体系提供机制参考（图1）。

图1 自然光合作用与人工光合作用的核心机制对比（选自原文 Figure 2）。（a）自然光合作用的光捕获、电荷分离与电子传递及催化反应机制，红色虚线标示D1蛋白修复循环；（b）人工光合作用对天然体系关键功能模块的仿生设计，红色标示重点人工重构环节；（c）以水分解为模型，展示人工光合作用从光捕获、电荷转移到氧化与还原催化的整体过程。

在性能评价方面，作者强调，应按照相同功能、可比指标和明确的系统边界开展分析，而不能仅凭单一效率数值评判两类体系的优劣。例如，作物在田间条件下的太阳能到生物质转化效率通常约为0.2%—1%，而部分人工光合作用器件在特定条件下已实现两位数的太阳能制燃料效率，但二者的产物属性和系统任务不同，不宜直接比较。人工体系在光谱调节、界面工程及产物定向合成方面更具灵活性，自然体系则在反馈调节、自我修复和多尺度协同方面具有独特优势。

面向低成本太阳能燃料的实际应用，文章提出从材料性能提升走向系统级优化的发展思路：近期需提升有效电荷利用率和催化剂稳定性，优化反应器的光照与传质过程，并统筹材料制备、装置运行及产物分离成本；长期应借鉴天然体系的调控与再生机制，发展自修复催化、光暗过程协同及辅因子闭环再生技术。半人工光合作用兼具人工材料可设计性和生物催化高选择性，是值得关注的发展方向（图2）。该综述为高效率、长寿命、可规模化的太阳能化学转化体系提供了系统设计思路。

图2 人工光合作用面临的挑战与发展前景（选自原文图10）。

图中概括了光捕获效率、电荷传输、催化剂长期稳定性、系统集成与可持续再生等关键问题，并展望自组装、人工叶、半人工光合作用、自修复催化及辅因子再生等研究方向。

黑龙江大学郭甜心、王子诚为论文共同第一作者；黑龙江大学李玉鑫教授、中国科学院理化技术研究所张铁锐教授为共同通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国科学院相关项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75482