在自然界中，綠色植物的光合作用，以有機(jī)體吸收太陽光，靠金屬配合物等催化劑將水和二氧化碳轉(zhuǎn)換為糖，來維持綠色植物自身的生長?，F(xiàn)在科學(xué)家們所做的人工光合作用就是模擬這個過程。目前使用太陽能的科技主要靠硅基太陽能板或太陽能薄膜發(fā)電。比如，太陽能電池則是通過光電效應(yīng)(在光的照射下，物質(zhì)內(nèi)部的電子被光子激發(fā)出來產(chǎn)生電流)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能。這兩種發(fā)電方式在環(huán)境、成本和轉(zhuǎn)化率上都存在著問題。同時，如何儲存這種太陽能，也存在瓶頸。人工光合作用的優(yōu)勢在于將太陽能轉(zhuǎn)換為氫氣、甲醇或乙醇等化學(xué)燃料，可以直接用在汽車等燃燒液態(tài)燃料的機(jī)械中。

在整個光合作用過程中，光的吸收和催化很重要。人工模擬這兩步也很具有挑戰(zhàn)。光催化分解水制氫可以認(rèn)為是化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域的“哥德巴赫猜想”式的難題。自從20世紀(jì)70年代初，光催化制氫的研究成為全世界關(guān)注的研究方向。

人工光合作用，是利用大自然中的太陽能生電能，再利用電能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成合成氣體(一氧化碳和氫氣)的過程。在自然界，自然光合作用的效率不足1%，而人工光合作用的理論目標(biāo)是將轉(zhuǎn)化率提高到20%以上。

二氧化碳的電還原反應(yīng)過程一直被認(rèn)為是最重要的人工光合過程之一。在這個過程中，太陽能先轉(zhuǎn)化為電能，電能再模擬自然光合作用中的光能，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成合成氣體甚至有機(jī)化合物，以此有效地減少空氣中二氧化碳的濃度，同時提供出人類生產(chǎn)生活所需要的能源。但是由于二氧化碳的電還原反應(yīng)中往往需要過高的電能，且轉(zhuǎn)化的效率比較低，這方面的研究一直處于瓶頸。對此，該課題的領(lǐng)導(dǎo)人，前伊利諾伊大學(xué)教授馬克·梅爾斯說：“我們可以用一系列的太陽能板收集太陽能，再把太陽能轉(zhuǎn)化為電能。這些太陽能轉(zhuǎn)化的電能用于二氧化碳的電還原反應(yīng)。”