自然界利用钙锰氧簇分子催化中心实现了高效水氧化反应，释放出氧气。同时产生的质子和电子用以固定二氧化碳形成碳水化合物。这一过程实现了太阳能到化学能的转化，为整个地球生物圈提供了氧气和生物质能源。受此启发，人工光合作用提出水分解产生氧气和氢气的策略。氢气是重要的能源和化工产品。因此，水分解析氢析氧反应在新能源领域具有非常重要的位置。国内很多学者在开发高效水分解催化剂的研究中取得了一系列突破性的进展。随着研究的逐渐深入，对水分解催化过程的了解，特别是对氧氧成键和氢氢成键机制的认识，以及对催化剂的理性设计已经成为需要迫切解决的关键科学问题。本课题组致力于以具有明确结构的模型分子催化剂开展水分解研究，通过多种手段对反应过程进行跟踪分析，获得分子及亚分子水平上揭示反应机理及催化剂构效关系的重要信息。近五年来，主要围绕水分解反应的核心，即氧氧成键和氢氢成键，开展了如下三个方面的研究工作。第一，发展了分子催化模型体系，揭示了水分解催化反应机理。第二，围绕氧氧成键和氢氢成键关键步骤，解明了催化剂构效关联机制。第三，通过分子设计，实现了多个分子催化剂的多相化，并以分子催化理论指导多相催化研究。通过这些研究，我们发展了金属卟啉咔咯分子催化体系。发现了水分解过程中多种氧氧成键和氢氢成键机制，揭示了水亲核进攻氧氧成键过程中阴离子的双重作用机制，提出了金属羟基偶联形成氧氧键的新机制，揭示了金属氢中间体性质(H+、H、H-)影响析氢反应途径的规律。首次阐明了水亲和进攻氧氧成键过程的一电子一质子协同转移机制。围绕该机制，提出并实现了多个促进氧氧成键的分子设计策略，包括引入分子内碱基，加强轴向反位效应，提高电子传输效率等。围绕金属氢与质子异裂反应的氢氢成键机制，同样提出并实现了一系列提高催化效率的分子设计策略。在获得高效水分解分子催化剂的基础上，发展了电极材料上共价修饰金属咔咯分子的新方法，阐明了分子催化剂与电极材料连接方式对催化效率的影响规律。