人工光催化用于实现可持续的太阳能能量转换

将太阳能转化为碳中性燃料是一种很有前途的方法来减少我们对化石燃料的依赖和应对气候变化。例子来自大自然,植物和其他光合生物使用阳光来创建能源丰富的化合物从水和二氧化碳(有限公司2)通过一个复杂的生物化学过程,在专业结构的地方。然而,这种自然过程的效率受到代谢途径,反思低效率将阳光转化为有用的能源。而人工光催化循环展示了内在效率更高,他们通常依靠纯或高度集中有限公司2催化剂和有机媒体为了防止退化引起的水或质子。

研究小组由李教授大卫·菲利普斯的化学系香港大学(港大),江苏大学丽丽杜教授(香港大学的博士师姐),香港城市大学Ruquan你们教授和上海有机化学研究所佳田教授开发出了一种非凡的环保系统,可以有效地利用光能的光催化过程。这个人工系统是一种高稳定和可回收的,它不依赖于贵金属,使其更经济可行的和可持续的。最近的研究成果发表在科学期刊上催化性质。

背景和成就

在自然界中,生物使用这一过程被称为“分级自组装”优化光收获。在这个过程中,他们组织内光催化组件由脂质和蛋白质支架提供一个定制的环境。实现高稳定性、选择性和效率、光合作用依赖于高表面积和发色团分子的精确的空间控制和催化中心通过自组装,提供高效的人工光催化系统的设计原则。

最近的研究表明利用囊泡和co-assembly天然脂质或合成的表面活性剂形成的胶束与光催化物种。这些结构作为微反应,模拟细胞膜的环境。然而,复制自然聚光超级复合体通过合成途径很难实现和成本效益。

充满赞赏现在的努力和挑战,港大团队和他们的合作者已经设计了一个在水中自组装人工色素细胞球形nanomicelle系统光合器的启发,Rhodobacter sphaeroides,一种细菌,这种细菌通常存在于土壤和淡水,也称为“球形聚光色素细胞”的特殊结构。这个结构作为一个光传感器和具有非凡的能力,以有效地传递能量从阳光通过一个独特的效应称为“球形天线效应”,由圆形安排特定的分子表面的色素细胞。这使得细菌有效地捕捉和利用阳光的能量需求。

这个人造系统模拟细菌的球形光收获色素细胞和comsists微小的球形结构称为nanomicelles溶液中自组装解决方案。这些nanomicelles作为系统的构建块。系统利用修改分子和吸光的化合物被称为“aramid-linker增强锌卟啉双”,这与公司催化剂通过静电力,导致一个独特的分层组装。因此,这个大会是由“球形天线效应”,并增强了系统捕获和点燃能源光催化过程。

系统的分级自组装提供了一个有前途的自底向上的策略来创建一个精确控制的人工光催化系统具有高稳定性和效率基于廉价和地球上充足的元素而不是昂贵的贵金属。

大卫·菲利普斯教授说:“我们的研究有可能推进可再生能源通过复制大自然的聚光效率机制。这可能导致可持续的解决方案为我们的能源需求和生产无碳燃料,导致一个更加绿色的未来。”

丽丽杜教授说:“自我组装的人工系统是一个重要的一步打开太阳能能量转换的全部潜力。提高光催化效率和稳定性能够克服局限性和创建一个更清洁、更可持续的能源格局。这项研究提供了有前途的实际应用在燃料生产,碳捕获和环境修复。”

参考:黄昱J, L,唐问,等。人工色素细胞球形nanomicelles选择性减少二氧化碳在水里。Nat Catal。2023:1-12。doi:10.1038 / s41929 - 023 - 00962 - z

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