naturlige fotosyntetiske systemer og fotokatalyse deler flere grundlæggende processer til fælles, herunder lysenergi konvertering og udnyttelse, såsom spænding (ophidset tilstand) generation/opdeling og ladningsmigration. Den høje effektivitet af lyskonvertering til kemiske redoksækvivalenter i naturlig fotosyntese opnås ved en elektronoverførselskaskade, hvilket resulterer i et langdistancehul og elektronseparation over membranen (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). Følgelig minimeres rekombinationen af ladningen geminat, og tabet reduceres. Maskineriet med naturlig fotosyntese muliggør høje kvanteudbytter af Foton til Elektron/ladningskonverteringseffektivitet lettet af en finjusteret lokal potentiel energigradient af proteinet, der omgiver hver klorofyl eller dets derivat for at sikre envejs elektronoverførsel og effektiv endelig ladningsseparation over membranen (10 liter -15). Hullerne og elektronerne adskilt langt væk fra hinanden kan således gå hver for sig for at drive henholdsvis vandoksidering og kinonreduktion. Ved hjælp af funktionerne af metaloksidklynge eller multiple reduktionsækvivalenter i molekyler som kinoner lykkes naturlig fotosyntese at koble flere enkeltfotonhændelser med generering af flere omkoksækvivalenter til katalytiske reaktioner, såsom vandopdeling.

inspireret af naturlig fotosyntese er mange kunstige fotosyntetiske systemer designet til at opnå lignende funktioner i fotoinduceret sekventiel, ensrettet og langdistanceelektronoverførsel til samtidig iltnings-og reduktionsreaktioner i begge ender af elektronoverførselskæden (16 liter -21). Imidlertid, Det har været en lang kamp for effektivt at parre flere enkeltfotonhændelser med flere redoks-ækvivalente genereringer, der kræves til katalytisk reaktion, såsom vandopdeling. Ofte kan kun en af de to enkelt halvreaktioner finde sted, som ikke kun bruger kun elektroner eller huller, men også forårsager ladningsubalance. Nogle systemer kan lide tabet fra ladningsrekombination på grund af utilstrækkelig hul/elektronseparation efter spændingsopdelingen og fra manglen på retningsbestemmelse af ladningsseparation. Således har det været en drøm for fotokatalyse eller solbrændselssamfund at designe og syntetisere platforme, der er i stand til at akkumulere både godt adskilte huller og elektroner fra fotoinduceret ladningsseparation i tilstrækkelig lang tid til at udføre effektive og samtidige reduktions-og iltningsreaktioner i et enkelt system.

arbejdet præsenteret af Chu et al. (22) med titlen “rumligt adskillende redokscentre på 2D carbonnitrid med kobolts enkeltatom til fotokatalytisk H2O2-produktion” har vist prisværdige fremskridt med at forlænge fotoinduceret hul/elektronseparationstid og Afstand i en syntetisk platform ved hjælp af c3n4 nanosheets, der fungerer som lyshøstende antenne og ladetransportledninger. De designede smart to-dimensionelle (2D) c3n4 nanosheets til at være vært for et enkelt-atom kobolt cocatalyst center ved hulrummene i midten af arket til de iltende reaktioner og et andet cocatalyst-antrakinon (AK) kovalent forbundet ved kanten af nanosheets mindst 1 nm væk fra Co center for reduktiv reaktion (Fig. 1). Når adskillelsen af hul og elektron er rigtig, lykkedes det disse forfattere at udføre fotokatalytiske reaktioner for at generere H2O2 fra O2 og H2O ved hjælp af ovenstående platform og opnå flere katalytiske reaktioner i et enkelt 2D C3N4 nanosheet.

selvom denne CO1/AK / C3N4-platform ser betydeligt enklere ud end reaktionscenterproteinerne i naturlig fotosyntese (Fig. 1), har det bemærkelsesværdigt overvundet forhindringen for ladningsrekombination, når spændingen opdeles og opnået reaktionsselektivitet. For at bekræfte adskillelsen af to forskellige typer redokscentre, et koboltatom fastgjort til et tomrum i midten som et vandoksideringssted, og et AK, der er fastgjort til arkets kanter som et reduktionssted, disse forfattere anvendte flere fysiske karakteriseringsværktøjer og opnåede overbevisende beviser til støtte for deres resultater. Gennem kontrol af dopingkoncentrationer og placeringer af Co og Ak var de i stand til at adskille de to cocatalyster i et enkelt nanoark for at forhindre tab som følge af ladningsrekombination og opnåede envejs og fjern elektronoverførsel fra Co-sted til AK samt at fjerne begge huller i henholdsvis førstnævnte og elektroner i sidstnævnte for de iltnings-og reduktive reaktioner i et enkelt c3n4 nanoark. Desuden forbedrede dette CO1/AKV/C3N4-system også katalytisk reaktionsselektivitet ved anvendelse af AKV mod H2O2− syntese via to-elektron reduktion af O2 (O2 + 2h+ + 2e− kur H2O2) snarere end fire-elektron reduktion af O2 (O2 + 4h+ + 4e− kur 2H2O) eller to-elektron H2 evolution (2h+ + 2e-kur H2).

sammenfattende, Chu et al. i deres undersøgelse (22) samtidig tackle følgende udfordringer i fotokatalyse i en platform af Co1 / AK/C3N4: 1) flytning af hul og elektron væk fra, hvor de genereres via spændingsopdeling ved lysabsorption for at minimere tabet som følge af geminatrekombination via et halvleder 2D C3N4 nanosheet; 2) adskillelse af det fotokatalytiske iltningskoboltsted i midten og reduktionsakv-stedet ved kanten, så de to reaktioner samtidigt kan finde sted uden behov for offerdonor/acceptor og ekstern ledning; og 3) Valg af korrekt AKV-reduktionssted, så reaktionen ved dannelse af H2O2 er konkurrencedygtig med andre reaktioner i både energiske og kinetiske standpunkter.

på grund af ovenstående vigtige fremskridt åbner denne forskning en tilgang til at opnå både effektive iltnings-og reduktionsreaktioner på 2D fotokatalysatorer for mange mulige reaktioner, der kan drives af vedvarende solenergi. Vi ser frem til at se mere succesrige kunstige fotosyntetiske systemer og fotokatalytiske systemer til brændstofproduktion til at lagre solenergi effektivt.