光催化是将光能转化为化学能的重要途径之一，光催化剂的设计是光催化的核心。其中有机分子光催化体系具有高度仿生特性，而且其结构和能带可调控性强，因此受到了广泛的关注，但其光不稳定性导致的寿命过短问题是限制其发展的瓶颈。随着超分子化学的发展，科学家们发现超分子组装能够有效提高光催化剂的稳定性，并已经有了一些成功的案例。然而，目前已报道的超分子催化剂的机理研究通常集中在聚集增强的光催化活性上。比如，生色团的超分子聚集能够形成内置电场，促进光生载流子分离，从而实现增强的光催化活性。但迄今为止，超分子聚集结构在增强催化剂光稳定性方面的机制研究还很少，尤其是分子水平上的内在机制尚不明确，一定程度上阻碍了高稳定性超分子光催化剂的发展。

近日，上海交通大学周永丰教授团队模仿自然界的光合作用系统， 建立了一种将聚合物囊泡膜、光捕获天线和助催化剂中心相结合的“三合一”新型仿生超分子光催化系统，该光催化剂展示出超长的光催化产氢寿命（大于10天），并和Thomas Frauenheim教授等人合作通过非绝热动力学模拟（NAMD）等相关方法揭示了该类超分子光催化剂超强光稳定性的分子机制。

结果表明，在囊泡膜中卟啉单元通过π-π堆叠作用形成了高度有序的聚集结构，从而获得了类似有机半导体的性质。卟啉的聚集进一步导致光生激子（热电子）在动力学上的松弛时间远快于单分子体系，差不多提高了4倍，和天然光合作用系统II类似，从而显著降低了光生激子攻击色素分子而发生光降解和光漂白的概率，极大提升了光催化剂的光稳定性。此外，瞬态光吸收与密度泛函理论等实验和模拟表明，多重相互作用稳定的超分子膜结构，紧密结合的光捕获天线和助催化剂中心，以及助催化剂的光生电荷快速传导也对体系的稳定性提升起到了一定作用。

该工作在分子和聚集体水平上揭示了超分子光催化剂长寿命的机制，对合理设计稳定高效的超分子光催化剂具有指导意义。