光合作用广泛存在于自然界，绿色植物中的叶绿体吸收太阳光，将水和CO₂转化为淀粉、葡萄糖和纤维素等，并释放氧气。模拟绿色植物光合作用储存太阳能的技术在20 世纪70 年代初进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试利用光化学或电化学的方法实现分解水和还原CO₂或N₂。
能源是人类社会生存和发展的物质基础，能源技术的发展和进步推动了人类社会的高速发展，特别是以化石能源为驱动力的三次工业革命，极大地提高了社会生产力水平，丰富了人类的物质生活，促进了社会的文明进步。但是，工业革命对能源需求的不断增加也导致化石能源被快速消耗，引起化石能源短缺和严重的温室效应。当前迫切需要改变能源结构，实现从化石能源向以太阳能、风能等低碳或无碳清洁可再生能源的转变，使人类社会走上可持续发展的道路。
我国是世界能源消费和碳排放大国之一，碳中和已上升为国家重大战略。我国科技工作者和相关企业积极响应碳中和国家重大战略，在推动我国可再生能源发展、节能减排等方面开展了大量工作。可再生能源在一次能源中的比重逐年提高，二氧化碳资源化利用的步伐不断加快。光合作用是地球上最大规模的碳中和途径。利用太阳能或由太阳能光伏发电产生的电能，在催化剂作用下通过人工光合作用将水分解制备清洁氢燃料，或者将二氧化碳还原为有用的燃料和化学品，或者将氮还原为氨是实现碳中和的重要途径。其中，开发高效、稳定和低成本的催化剂是关键。
人工光合作用催化剂的概念
实现碳中和是一场广泛而深刻的系统性变革，不仅涉及能源、制造、采矿、建筑、交通运输等行业，而且还涉及农林牧渔业及各类服务业，覆盖整个社会生活。碳中和的实现必须长期坚持节能减排和生态优先的发展方式。通过转变生产方式，调整生产结构，加快全面绿色转型，推动经济社会实现更高质量的可持续的发展。很显然，要从源头上减少CO₂的排放，发展清洁可再生能源取代化石能源至关重要。不管是光、电分解水制氢，光、电、热催化CO₂还原制燃料或化学品，还是光、电催化氮还原制氨，均需要有高活性催化剂对H₂O、CO₂或N₂进行活化转化。因此，开发高效催化剂以降低反应的活化能十分必要。
基于以上分析，本书（文）从广义上把能够利用太阳能或由太阳能光伏发电产生的电能催化分解水产氢和CO₂及氮还原的催化剂统称为人工光合作用催化剂。
《人工光合作用催化剂》（鲁统部等编著. 北京：科学出版社，2024. 5）主要围绕人工光合作用催化剂的开发，结合作者研究团队在人工光合作用研究方面取得的最新研究成果，系统介绍了近年来国内外研究者在光、电催化分解水制氢和二氧化碳还原催化剂方面取得的重要进展，包括催化剂的设计合成、结构表征、催化性能和催化机理等。
本书分为8 章。第1 章为概述；第2 章为人工光合作用催化剂的合成；第3 章为人工光合作用催化剂的表征；第4 章为人工光合作用催化剂的性能评价；第5 章为人工光合作用催化剂分解水制氢；第6 章为人工光合作用催化剂光电催化二氧化碳还原；第7 章为人工光合作用催化剂光电催化氮还原制氨；第8 章为人工光合作用催化剂的催化机理。
鲁统部教授携团队青年学者撰写的《人工光合作用催化剂》一书，结合研究团队多年深耕人工光合作用取得的研究成果，系统介绍了近年来国内外研究者在人工光合作用分解水制氢、二氧化碳还原、氮气固定等方面取得的重要进展。本书立足于人工光合作用催化剂的设计合成、结构表征、性能评价和机理研究，讨论了催化剂的构效关系，总结了催化剂的设计规律，并展望了该领域的未来研究方向和发展趋势。该书既包含了人工光合作用催化剂研究的基础知识，也包含了丰富的催化剂设计实践。相信该书的出版有助于从事人工光合作用研究的学者和研究生快速掌握该领域的最新研究进展，并为对该领域感兴趣的本科生提供引导和帮助，从而推动我国人工光合作用研究的发展，助力“双碳” 目标的实现。
吴骊珠
中国科学院院士
中国科学院理化技术研究所
2024 年3 月
本文摘编自《人工光合作用催化剂》（鲁统部等编著. 北京：科学出版社，2024. 5）一书“前言”“第1 章 概述”“序”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-078485-8
责任编辑：霍志国 孙静惠
本书介绍了人工光合作用催化剂的基本概念和发展历程，结合作者研究团队及国内外人工光合作用催化剂的研究成果，重点介绍了光电催化分解水制氢、二氧化碳还原制化学品和氮还原制氨的最新进展，包括催化剂的设计合成、结构表征、催化性能和催化机理，并且提供了相关实例、数据、图表和文献资料。
本书可作为新能源等相关专业的教材，也可供新能源材料与低碳技术、碳中和等相关领域的高年级本科生、研究生及科研工作者阅读参考。
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