Los sistemas fotosintéticos naturales y la fotocatálisis comparten varios procesos fundamentales en común, incluida la conversión y utilización de energía lumínica, como la generación/división de excitones (estado excitado) y la migración de carga. La alta eficiencia de la conversión de luz a equivalentes químicos redox en la fotosíntesis natural se logra mediante una cascada de transferencia de electrones que resulta en un agujero de larga distancia y separación de electrones a través de la membrana (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). En consecuencia, se minimiza la recombinación de geminados de carga y se reduce la pérdida. La maquinaria de la fotosíntesis natural permite rendimientos cuánticos altos de fotón a electrón/eficiencia de conversión de carga facilitada por un gradiente de energía potencial local ajustado por la proteína que rodea a cada clorofila o su derivado para garantizar la transferencia unidireccional de electrones y la separación de carga final eficiente a través de la membrana (10 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -15). Los agujeros y electrones separados muy lejos entre sí pueden, por lo tanto, ir por caminos separados para impulsar la oxidación del agua y la reducción de la quinona, respectivamente. Usando las funciones de grupos de óxido metálico o equivalentes de reducción múltiple en moléculas como las quinonas, la fotosíntesis natural logra acoplar múltiples eventos de fotón único con la generación de múltiples equivalentes redox para reacciones catalíticas, como la división de agua.

Inspirados en la fotosíntesis natural, muchos sistemas fotosintéticos artificiales han sido diseñados para lograr funciones similares en la transferencia de electrones fotoinducción secuencial, unidireccional y de larga distancia para reacciones simultáneas de oxidación y reducción en ambos extremos de la cadena de transferencia de electrones (16 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -21). Sin embargo, ha sido una larga lucha acoplar de manera efectiva múltiples eventos de fotón único con múltiples generación redox equivalente requerida para la reacción catalítica, como la división de agua. Con frecuencia, solo puede tener lugar una de las dos semi-reacciones individuales, que no solo usa electrones o agujeros, sino que también causa desequilibrio de carga. Algunos sistemas pueden sufrir la pérdida de la recombinación de carga debido a la separación insuficiente del agujero / electrón después de la división del excitón y de la falta de direccionalidad de la separación de carga. Por lo tanto, ha sido un sueño para la comunidad de fotocatálisis o combustible solar diseñar y sintetizar plataformas capaces de acumular agujeros bien separados y electrones de la separación de cargas fotoinducidas durante el tiempo suficiente para llevar a cabo reacciones de reducción y oxidación efectivas y simultáneas en un solo sistema.

El trabajo presentado por Chu et al. (22) titulado «Centros redox de separación espacial en nitruro de carbono 2D con un solo átomo de cobalto para la producción fotocatalítica de H2O2», ha mostrado un progreso encomiable para prolongar el tiempo y la distancia de separación fotoinductora de orificios/electrones en una plataforma sintética utilizando nanoplantas C3N4 que funcionan como antenas de captación de luz y conductos de transporte de carga. Diseñaron hábilmente nanoplantas C3N4 bidimensionales (2D) para alojar un centro cocatalizador de cobalto de un solo átomo en los huecos en el centro de la lámina para las reacciones oxidativas y otro cocatalizador de antraquinona (AQ) enlazado covalentemente en el borde de las nanoplantas a al menos 1 nm del centro de Co para la reacción reductora (Fig. 1). Cuando la separación del agujero y el electrón es correcta, estos autores lograron llevar a cabo reacciones fotocatalíticas para generar H2O2 a partir de O2 y H2O utilizando la plataforma anterior y lograr múltiples reacciones catalíticas en una sola hoja 2D C3N4.

Aunque esta plataforma de Co1 / AQ / C3N4 parece significativamente más simple que las proteínas del centro de reacción en la fotosíntesis natural (Fig. 1), ha superado notablemente el obstáculo de la recombinación de carga a medida que el excitón se divide y logra la selectividad de reacción. Para confirmar la separación de dos tipos diferentes de centros redox, un átomo de cobalto unido a un vacío en el medio como sitio de oxidación de agua, y un AQ unido a los bordes de las láminas como sitio de reducción, estos autores emplearon varias herramientas de caracterización física y obtuvieron pruebas convincentes para respaldar sus resultados. A través del control de las concentraciones de dopaje y las ubicaciones de Co y AQ, fueron capaces de separar los dos cocatalizadores en una sola hoja para evitar la pérdida debida a la recombinación de carga, y lograron una transferencia unidireccional y distante de electrones del sitio de Co al AQ, así como la eliminación de agujeros en el primero y electrones en el segundo, respectivamente, para las reacciones oxidativas y reductoras en una sola hoja de C3N4. Además, este sistema de Co1/AQ / C3N4 también mejoró la selectividad de la reacción catalítica mediante el uso de AQ hacia la síntesis de H2O2 a través de la reducción de dos electrones de O2 (O2 + 2H+ + 2e- → H2O2) en lugar de la reducción de cuatro electrones de O2 (O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O) o la evolución de dos electrones de H2 (2H+ + 2e- → H2).

En resumen, Chu et al. en su estudio (22) abordan simultáneamente los siguientes retos en fotocatálisis en una plataforma de Co1 / AQ / C3N4: 1) mover el agujero y el electrón lejos de donde se generan a través de la división de excitación en la absorción de luz para minimizar la pérdida debido a la recombinación de geminados a través de una nanosecha semiconductora 2D C3N4; 2) separar el sitio de cobalto de oxidación fotocatalítica en el centro y el sitio de reducción de AQ en el borde para que las dos reacciones puedan tener lugar simultáneamente sin la necesidad de un donante/aceptor de sacrificio y cableado externo; y 3) seleccionar el sitio de reducción de AQ adecuado para que la reacción de formación de H2O2 sea competitiva con otras reacciones en los puntos de vista energético y cinético.

Debido a los avances clave anteriores, esta investigación abre un enfoque para lograr reacciones de oxidación y reducción eficientes en fotocatalizadores 2D para muchas reacciones posibles que pueden ser impulsadas por energía solar renovable. Esperamos ver sistemas fotosintéticos artificiales y sistemas fotocatalíticos más exitosos para la generación de combustible para almacenar energía solar de manera efectiva.