年5月下旬，对于田佳来说是忙碌且有意义的一个初夏。在短短一周之内，他相继在NatureCatalysis和NatureMaterials上发表两篇论文。目前，他在中科院上海有机所担任研究员。
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田佳（来源：田佳）
利用超分子手段，拓宽对自然光合作用体系的理解
5月18日，第一篇论文发表在NatureCatalysis上。研究中，他和合作者利用超分子手段模拟自然光合作用，探索构筑新型的人工光合体系。
光合作用被认为是地球上最重要的化学反应过程，为生命体提供着最基本的物质与能量来源。
然而，由于天然光合系统通常需要兼顾诸多生命过程，且催化中心数量有限并距离光敏系统较远，导致“光能-化学能”转化的整体量子效率偏低。
通过化学手段模拟光合作用中的关键基元，构筑光能转化效率更高的人工光合系统，有可能为缓解能源环境危机、降低碳排放提供新的理论和技术支撑。
在复旦大学攻读博士学位期间，田佳师从该校的黎占亭教授。那时，前者主要从事超分子有机框架材料的研究。
更早之前，黎占亭在芳酰胺大环、以及折叠体和分子识别等领域的工作，给田佳带来了重要启发。
于是，后者萌生了将高强材料凯夫拉结构中的寡聚芳酰胺片段嫁接到天然卟啉两亲分子上，进而构筑人工光合组装体的想法。
后来，田佳根据天然光合紫色细菌的球形色素体结构，设计了两亲性的三嵌段卟啉基分子单体。
（来源：NatureCatalysis）
令人惊喜的是，利用这一方法不仅在水中得到了尺寸分布均一的球形组装体，而且组装体表面具有环形的卟啉阵列亚结构。
对于通过超分子组装体来模拟生物特定功能和结构来说，这是一次极其重要的突破。
在性能上，这种球形组装体不仅展现出光收割“球形天线”效应，同时具有良好的抗光漂白性质和优异的结构稳定性，为超分子光催化体系的光敏剂选择提供了新的解决方案。
（来源：NatureCatalysis）
受天然光合紫色细菌球形色素体结构的启发，课题组设计了三嵌段卟啉基的两亲分子，并引入寡聚芳酰胺片段以便增强组装体结构的稳定性。
合成关键分子之后，他开始进行超分子组装体的构筑和表征。通过亲疏水作用、氢键作用和π-π堆积作用，这种单体分子可以在水中自发组装形成球形纳米胶束组装体。
通过增加芳酰胺片段的长度、提高分子间的氢键数量，可以构筑粒径更大、性质更稳定的组装体。
在化学、材料等科学研究中，纳米结构表征占据十分重要的位置。在NatureCatalysis发表的这篇论文中，透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜以及同步辐射小角X射线散射的观测结果显示：组装体呈现出尺度均一的球形结构。
但是，更精细的组装亚结构表征，需要通过高分辨扫描透射电镜、原子力显微镜、冷冻电镜等手段实现。
借助冷冻电镜单颗粒分析技术，田佳等人观察到球形组装体表面存在直径4.2nm左右的环形卟啉阵列，这为进一步研究催化性能及其构效关系奠定了基础。
（来源：NatureCatalysis）
完成超分子组装体的构建之后，则要进行光催化实验和机理研究。这时，课题组根据球形胶束表面的环形卟啉阵列呈正电性，有目的地选择了合适的Co基卟啉催化剂。
在水溶液中，催化剂具有阴离子形式，因此可以通过静电相互作用拉近其与正离子型卟啉环形阵列的空间距离，从而提高电子传输效率；
且催化剂的尺寸约为3-4nm，略小于环形卟啉阵列的直径（4.2nm），这也促进了催化剂与环形阵列的对接。
另外，在催化过程中，好的催化剂不仅能降低反应活化能，也与反应底物二氧化碳具有一定的结合能力。同时，当生产最终目标产物CH4的时候，好的催化体系还能具有良好的脱附能力。
基于此，该团队选用四（对磺酸苯基）卟啉-Co配合物（TSPP-Co）为催化剂构筑人工光合体系，该体系在优化条件下表现出光促CO2至CH4转化的高催化效率与高产物选择性。
同时，在描述反应机理时，他们提出“纳米围栏”以及“球形天线”效应，上述效应使光生电子高效地注入催化位点，进而带来高效的二氧化碳催化转化。
当人工光合作用遇见超分子自组装
生命过程离不开超分子自组装，光合生命以脂质和蛋白为骨架，可以对捕光复合物和反应中心进行精确定位，并能有序排列形成精妙的多级自组装结构，比如紫菌的色素体、高等植物的类囊体等。
这些优雅的超分子组装体表现出高效的光捕获、精确的电子转移和选择性催化功能。
而在人工光合领域，超分子自组装的好处在于可以让人们“自下而上”地构筑光合材料，比如将单体分子组装为纳米复合结构。另外，通过优化结构设计，还能提高能量转移和电子传递的效率。
同时，超分子自组装能将不同的功能模块组装在一起，借此形成复合材料，从而打造多功能的人工光合系统。
另外，超分子自组装还具有可逆性和修复性的特点，能对人工光合材料的长期稳定性和可持续性起到重要作用。
如前所述，光合作用为生命提供了物质和能量。针对人工光合作用的研究一般主要