随着人类文明的快速发展,全球能耗急剧增加,化石能源燃烧释放的二氧化碳已经引起严重的温室效应和气候变化,能源和环境问题成为全球的焦点,人类迫切需要清洁新能源。太阳能储量巨大、分布广泛、清洁无污染,具有很好的发展潜力,人工光合作用学习大自然将太阳能转化为化学能是太阳能利用的一种重要方式。利用半导体材料光解水是人工光合作用的一种,二氧化钛是常用的半导体光催化剂,可是它只能利用波长大于387nm的紫外线,合成纳米形态、元素掺杂和贵金属颗粒沉积是常见的提高二氧化钛光催化性能的方法。绿色植物光合作用的细胞器是叶绿体,其优良的结构和功能特性大大提高了光合作用的效率。本研究就是模拟叶绿体的结构和功能特性,以离体叶绿体为模板,利用无机半导体材料二氧化钛的光催化性能,并结合元素自掺杂和贵金属颗粒沉积设计制备一种人工光合作用体系。首先从新鲜菠菜中提取叶绿体并测定其被膜完整度,用荧光显微镜和透射电镜(TEM)观察离体叶绿体的组织形态和纳米层状结构。以离体叶绿体为生物模板,选取三氯化钛为前躯体,经过酸洗、浸泡、干燥和烧结等处理,制备了具有纳米层状结构和氮磷钾元素自掺杂的二氧化钛样品,然后通过光化学方法沉积2wt%金纳米颗粒。通过X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)分析其成分,表明二氧化钛样品是锐钛矿型多晶,且原始生物质所含的氮、磷元素自掺杂到二氧化钛晶格中。TEM、场发射扫描电镜(FESEM)和氮吸附结果表明二氧化钛样品中存在原始叶绿体的纳米层状结构,且孔径大小集中在20nm处。紫外可见(UV-Vis)吸收光谱显示氮磷自掺杂二氧化钛在可见光区吸收增强,且产生吸收边红移;时间分辨荧光光谱显示纳米层状结构的存在提高了光激发电子的寿命。光解水制氢和光催化降解染料结构显示:元素自掺杂和纳米层状结构提高了二氧化钛的光催化性能,金纳米颗粒的存在大大提高了光解水制氢的效率。该样品作为一种人工光合作用体系,具备原始叶绿体的三个主要特性:一是纳米层片状结构,提高了光电子的激发态寿命;二是元素自掺杂,对应原始叶绿体的天线色素,提高了对可见光的利用率;三是金纳米颗粒沉积,对应原始叶绿体的反应中心,提高了整个体系的光催化效率。这三种特性能与叶绿体的结构和功能特性相对应,因此称为人工叶绿体。同时该研究还建立了一个简单模型来研究纳米层状结构对光催化效率提高的效果,结果显示纳米层状结构可以使二氧化钛的光催化性能提高一倍,这为提高半导体材料的光催化性能提供了一种可能的途径。