通过人工光合作用将太阳能转换和存储为燃料和化学物质已被认为是解决全球能源危机的一种有前途的方法。但是，它离大规模的实际应用还很远。纳米阵列结构结合了纳米尺寸和阵列排列的优点，在提高太阳能转换效率、稳定性和选择性方面显示出巨大的潜力。

有鉴于此，国家纳米科学中心宫建茹研究员和Beidou Guo等人，综述了纳米阵列结构在可再生燃料和高附加值化学品人工光合作用中的应用。

本文要点

1）首先，介绍了太阳能转换的基本原理以及利用纳米阵列结构进行太阳能转换的优势。然后概述了非生物和非生物-生物杂交系统中纳米阵列结构的最新研究进展，重点介绍了纳米阵列结构在光吸收、电荷传递和转移以及催化反应(包括动力学和选择性)方面的贡献。最后，对纳米阵列结构用于人工光合作用的研究方向进行了总结和展望。

2）尽管取得了许多进展，但仍有大量空间可用于对纳米阵列结构进行进一步的实验和理论研究，以开发强大的人工光合系统，用于未来高性能的太阳能转换和存储。下面列出了该领域存在的挑战。1）充分利用太阳光谱来提高光吸收效率具有挑战性。将两个或更多具有不同机制/材料的纳米阵列结构集成到一个系统中，而不是单一的纳米阵列结构/功能设计，可能会进一步提高光吸收强度或扩大太阳能转换的光吸收范围。2)关于电荷传输，需要注意三点。首先，纳米阵列结构的高比表面积可能导致许多表面缺陷，这不利于通过材料/电解质界面的电荷传输。其次，用于人工光合作用的纳米阵列结构中的电荷输运通常由扩散控制，由于电荷的扩散长度较短，导致电荷重组的可能性较大。第三，虽然非贵金属已被用于替代贵金属用于低成本SC-M异质结，但有效的太阳能转换仍受其不稳定性的限制。3)在利用非生物EC和生物EC构建PA/EC复合纳米阵列方面，所设计结构的稳定性和催化效率有待进一步提高。非生物杂交系统由于其固有的结构稳定性，具有良好的催化稳定性。4)纳米阵列结构的大规模生产和精确表征需要发展先进技术。5)除了通过实验在光合系统中构建纳米阵列结构外，通过计算模拟设计具有不同参数(如组成、形态和排列)的新的纳米阵列结构模型也很重要。

参考文献：

Liangqiu Tian et al. Nanoarray Structures for Artificial Photosynthesis. Small, 2021.

DOI: 10.1002/smll.202006530

https://doi.org/10.1002/smll.202006530