全球面临严峻的能源危机，太阳能制氢是解决该问题的重要途径。天然光合作用系统为人工光催化制氢提供了结构与功能上的借鉴，但因其提取成本高且体外稳定性差，难以直接应用。无机纳米粒子，如量子点，在光催化领域具有独特优势，其中，CdS 因可见光吸收能力和合适的能带位置常用于光催化水分解。然而，其在水溶液中的稳定性差，由此限制了其应用。在此背景下，本研究旨在通过蛋白自组装和原位生物合成策略构建高效的人工光催化制氢系统，模拟天然光合系统，提高光催化性能和稳定性。

刘俊秋教授团队基于蛋白质基因工程与自组装策略发展了基于原位生物合成肽锚定的蛋白-半导体杂化蛋白纳米片，构建了高效产生氢的人工光催化系统（图1）。以具有环形结构的SP1蛋白为基础，将金属结合肽（MBP）融合到其 N 端，通过点突变在侧表面引入组氨酸得到MBP-SP1-2His变体蛋白。该蛋白能为CdS QDs的原位生长提供空间限制，形成的CdS@MBP-SP1-2His杂化物具有良好的分散性，与游离CdS相比，其吸收峰和荧光特性独特，在光催化还原MV²⁺和NAD⁺反应中表现出更强的生成光生电子能力（图2）。

图1. 蛋白质组装及其原位生物合成的光催化系统构建策略

图2. 体系光生电子性能探究

蛋白变体通过Ni²⁺螯合作用组装得到规则2D纳米片结构，为原位生长CdS QDs提供了规则的锚定位点（图3）。对该人工光催化系统进行性能测试，发现CdS@MBP-SP1-2His及其组装体的光催化产氢速率显著高于对照组，且产氢性能与Cd²⁺浓度有关。与游离CdS相比，其产氢速率大幅提高，组装体的性能更佳。此外，系统的稳定性研究表明，蛋白质及其组装行为对稳定无机催化剂和有序排列催化中心至关重要，组装体系统在长时间放置后仍能保持较高的催化活性，而游离CdS的催化性能下降明显。

图3. 蛋白变体自组装形貌探究

为进一步提高光催化性能，采用温和的方法在 CdS 表面负载Pt纳米粒子形成 CdS@Pt@MBP-SP1-2His。Pt的负载抑制了光生电子-空穴的复合，显著提高了光催化产氢速率，其组装体的产氢速率高达69100 μmol h⁻¹ (g Cd²⁺)⁻¹，是游离 CdS的80倍。同时，Pt 掺杂后的系统稳定性也得到提高，30天后仍能保持91.2% 的催化效率（图4）。

图4. 体系光催化性能及稳定性探究

研究发现蛋白模板的组装-解组装行为可调控光催化产氢性能。通过添加乙二胺四乙酸盐（EDTA）调节蛋白模板的组装程度，随着EDTA浓度增加，产氢速率降低，解组装后的系统产氢性能与游离CdS@Pt@MBP-SP1-2His相近，且该过程可逆，蛋白纳米片在多次组装-解组装循环中能维持光催化性能，为模拟自调节天然光合系统提供了思路。

本研究成功构建了基于工程化分层蛋白自组装和原位生物合成肽锚定蛋白-半导体杂化物的高效人工光催化制氢系统。该系统通过MBP-SP1-2His蛋白模板实现了CdS QDs的原位生长和有序排列，提高了光催化性能和稳定性。Pt纳米粒子的掺杂进一步增强了光催化活性，且蛋白模板的组装-解组装可调控催化性能。本研究为模拟天然光合系统提供了重要策略，展示了蛋白质模板在构建高效人工光催化系统中的关键作用和应用潜力。

以上研究成果发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy上（Applied Catalysis B: Environment and Energy 362 (2025) 124764）（影响因子IF, 20.2）。课题组联合培养博士后李逸佳和田瑞桢为该论文的共同第一作者，刘俊秋教授和王婷婷副教授为该论文的通讯作者。该研究工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金及杭师大科研启动经费等项目的联合资助。

论文连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337324010786