Natürliche photosynthetische Systeme und Photokatalyse haben mehrere grundlegende Prozesse gemeinsam, darunter die Umwandlung und Nutzung von Lichtenergie, wie die Erzeugung / Spaltung von Exzitonen (angeregter Zustand) und Ladungsmigration. Die hohe Effizienz der Lichtumwandlung in chemische Redoxäquivalente in der natürlichen Photosynthese wird durch eine Elektronentransferkaskade erreicht, die zu einer Langstrecken-Loch- und Elektronentrennung über die Membran führt (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) ( Abb. 1). Folglich wird die Ladungsgeminat-Rekombination minimiert und der Verlust verringert. Die Maschinerie der natürlichen Photosynthese ermöglicht eine hohe Quantenausbeute an Photonen-zu-Elektron- / Ladungsumwandlungseffizienz, die durch einen fein abgestimmten lokalen potentiellen Energiegradienten durch das Protein, das jedes Chlorophyll oder sein Derivat umgibt, erleichtert wird, um einen unidirektionalen Elektronentransfer und eine effiziente endgültige Ladungstrennung über die Membran (10⇓⇓⇓⇓-15). Die weit voneinander entfernten Löcher und Elektronen können somit getrennte Wege gehen, um die Wasseroxidation bzw. die Chinonreduktion voranzutreiben. Unter Verwendung der Funktionen von Metalloxidclustern oder mehreren Reduktionsäquivalenten in Molekülen wie Chinonen gelingt es der natürlichen Photosynthese, mehrere Einzelphotonenereignisse mit der Erzeugung mehrerer Redoxäquivalente für katalytische Reaktionen wie die Wasserspaltung zu koppeln.

Inspiriert von der natürlichen Photosynthese wurden viele künstliche Photosynthesesysteme entwickelt, um ähnliche Funktionen beim photoinduzierten sequentiellen, unidirektionalen und Fernelektronentransfer für gleichzeitige Oxidations- und Reduktionsreaktionen an beiden Enden der Elektronentransferkette (16⇓⇓⇓⇓-21) zu erreichen. Es war jedoch ein langer Kampf, mehrere Einzelphotonenereignisse effektiv mit mehreren Redoxäquivalenten zu koppeln, die für katalytische Reaktionen wie die Wasserspaltung erforderlich sind. Häufig kann nur eine der beiden einzelnen Halbreaktionen stattfinden, die nicht nur nur Elektronen oder Löcher verwendet, sondern auch ein Ladungsungleichgewicht verursacht. Einige Systeme können den Verlust von Ladungsrekombination aufgrund unzureichender Loch / Elektron-Trennung nach der Exziton-Spaltung und aus dem Mangel an Direktionalität der Ladungstrennung leiden. Daher war es für die Photokatalyse- oder Solartreibstoffgemeinschaft ein Traum, Plattformen zu entwerfen und zu synthetisieren, die in der Lage sind, sowohl gut getrennte Löcher als auch Elektronen aus der photoinduzierten Ladungstrennung ausreichend lange zu akkumulieren, um effektive und gleichzeitige Reduktions- und Oxidationsreaktionen in einem einzigen System durchzuführen.

Die von Chu et al. (22) betitelt „Räumlich trennende Redoxzentren auf 2D-Kohlenstoffnitrid mit Kobalt-Einzelatom für die photokatalytische H2O2-Produktion“ hat lobenswerte Fortschritte bei der Verlängerung der photoinduzierten Loch / Elektronen-Trennzeit und -entfernung in einer synthetischen Plattform unter Verwendung von C3N4-Nanoblättern gezeigt, die als Lichtsammelantenne und Ladungstransportleitungen fungieren. Sie entwarfen geschickt zweidimensionale (2D) C3N4-Nanoblätter, um ein einatomiges Kobalt-Cokatalysator-Zentrum an den Hohlräumen in der Mitte des Blattes für die oxidativen Reaktionen und ein weiteres Cokatalysator-Anthrachinon (AQ) zu beherbergen, das am Rand der Nanoblätter mindestens 1 nm vom Co-Zentrum entfernt kovalent verbunden ist reduktive Reaktion (Abb. 1). Wenn die Trennung von Loch und Elektron stimmt, gelang es diesen Autoren, photokatalytische Reaktionen durchzuführen, um H2O2 aus O2 und H2O unter Verwendung der obigen Plattform zu erzeugen und mehrere katalytische Reaktionen in einem einzigen 2D-C3N4-Nanoblatt zu erzielen.

Obwohl diese Co1/AQ/C3N4-Plattform deutlich einfacher aussieht als die Reaktionszentrumsproteine in der natürlichen Photosynthese (Abb. 1), es hat bemerkenswert überwinden die hürde der ladung rekombination als exciton splits und erreicht reaktion selektivität. Um die Trennung von zwei verschiedenen Arten von Redoxzentren zu bestätigen, ein Kobaltatom, das als Wasseroxidationsstelle an einen Hohlraum in der Mitte gebunden ist, und ein AQ, das als Reduktionsstelle an den Rändern der Bleche befestigt ist, Diese Autoren verwendeten mehrere physikalische Charakterisierungswerkzeuge und erhielten überzeugende Beweise, um ihre Ergebnisse zu unterstützen. Durch die Kontrolle der Dotierungskonzentrationen und -orte von Co und AQ konnten sie die beiden Cokatalysatoren in einem einzigen Nanoblatt voneinander trennen, um den Verlust aufgrund der Ladungsrekombination zu verhindern, und erreichten einen unidirektionalen und entfernten Elektronentransfer von der Co-Stelle zu AQ sowie das Auffangen beider Löcher in ersterem und Elektronen in letzterem für die oxidativen und reduktiven Reaktionen in einem einzigen C3N4-Nanoblatt. Darüber hinaus verbesserte dieses Co1 / AQ / C3N4-System auch die Selektivität der katalytischen Reaktion durch Verwendung von AQ in Richtung H2O2 Synthese über Zwei−Elektronen-Reduktion von O2 (O2 + 2H + + 2e− → H2O2) anstelle von Vier-Elektronen−Reduktion von O2 (O2 + 4H + + 4e- → 2H2O) oder Zwei-Elektronen-H2 Evolution (2H + + 2e- → H2).

Zusammenfassend haben Chu et al. in ihrer Studie (22) befassen Sie sich mit den folgenden Herausforderungen in der Photokatalyse in einer Plattform von Co1 / AQ / C3N4: 1) Bewegen von Loch und Elektron weg von dem Ort, an dem sie durch Exziton-Spaltung bei Lichtabsorption erzeugt werden, um den Verlust durch Geminat-Rekombination über ein Halbleiter-2D-C3N4-Nanoblatt zu minimieren; 2) Trennen der photokatalytischen Oxidationskobaltstelle in der Mitte und der Reduktions-AQ-Stelle am Rand, so dass die beiden Reaktionen gleichzeitig stattfinden können, ohne dass ein Opferdonor / -akzeptor und eine externe Verdrahtung erforderlich sind; und 3) Auswählen der richtigen AQ-Reduktionsstelle, so dass die Reaktion der Bildung von H2O2 sowohl energetisch als auch kinetisch mit anderen Reaktionen konkurriert.Aufgrund der oben genannten wichtigen Fortschritte eröffnet diese Forschung einen Ansatz, um sowohl effiziente Oxidations- als auch Reduktionsreaktionen auf 2D-Photokatalysatoren für viele mögliche Reaktionen zu erreichen, die durch erneuerbare Sonnenenergie angetrieben werden können. Wir freuen uns auf weitere erfolgreiche künstliche Photosynthesesysteme und photokatalytische Systeme zur Brennstofferzeugung, um Sonnenenergie effektiv zu speichern.