在自然界中，绿色植物的光合作用，以有机体吸收太阳光，靠金属配合物等催化剂将水和二氧化碳转换为糖，来维持绿色植物自身的生长。现在科学家们所做的人工光合作用就是模拟这个过程。目前使用太阳能的科技主要靠硅基太阳能板或太阳能薄膜发电。比如，太阳能电池则是通过光电效应(在光的照射下，物质内部的电子被光子激发出来产生电流)直接把光能转化成电能。这两种发电方式在环境、成本和转化率上都存在着问题。同时，如何储存这种太阳能，也存在瓶颈。人工光合作用的优势在于将太阳能转换为氢气、甲醇或乙醇等化学燃料，可以直接用在汽车等燃烧液态燃料的机械中。

在整个光合作用过程中，光的吸收和催化很重要。人工模拟这两步也很具有挑战。光催化分解水制氢可以认为是化学科学领域的“哥德巴赫猜想”式的难题。自从20世纪70年代初，光催化制氢的研究成为全世界关注的研究方向。

人工光合作用，是利用大自然中的太阳能生电能，再利用电能将二氧化碳和水转化成合成气体(一氧化碳和氢气)的过程。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论目标是将转化率提高到20%以上。

二氧化碳的电还原反应过程一直被认为是最重要的人工光合过程之一。在这个过程中，太阳能先转化为电能，电能再模拟自然光合作用中的光能，把二氧化碳转化成合成气体甚至有机化合物，以此有效地减少空气中二氧化碳的浓度，同时提供出人类生产生活所需要的能源。但是由于二氧化碳的电还原反应中往往需要过高的电能，且转化的效率比较低，这方面的研究一直处于瓶颈。对此，该课题的领导人，前伊利诺伊大学教授马克·梅尔斯说：“我们可以用一系列的太阳能板收集太阳能，再把太阳能转化为电能。这些太阳能转化的电能用于二氧化碳的电还原反应。”