luonnollisissa fotosynteettisissä järjestelmissä ja fotokatalyysissä on useita yhteisiä perusprosesseja, mukaan lukien valoenergian muuntaminen ja hyödyntäminen, kuten eksitonin (innoitetun tilan) tuottaminen / jakaminen ja varauksen siirtyminen. Valon muuntuminen kemiallisiksi redox-ekvivalenteiksi luonnollisessa fotosynteesissä saavutetaan suurella hyötysuhteella elektroninsiirtokaskadilla, joka johtaa pitkän matkan reikään ja elektronin erottumiseen kalvon poikki (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Kuva. 1). Näin ollen Varauksen geminaatin rekombinaatio minimoidaan ja häviö pienenee. Luonnollisen fotosynteesin koneisto mahdollistaa fotonin suurikvanttisen tuoton elektroni / varaus-muunnostehokkuuteen, jota helpottaa hienosäädetty paikallinen potentiaalienergiagradientti kutakin klorofylliä tai sen johdannaista ympäröivällä proteiinilla, jotta varmistetaan yksisuuntainen elektroninsiirto ja tehokas lopullinen varauksen erottaminen kalvon yli (10 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -15). Kaukana toisistaan erotetut aukot ja elektronit voivat siis mennä omille teilleen ajaakseen veden hapettumista ja kinonin pelkistymistä. Käyttämällä metallioksidiklusterin toimintoja tai moninkertaisia pelkistysekvivalentteja molekyyleissä, kuten kinoneissa, luonnollinen fotosynteesi onnistuu kytkemään yhteen useita yhden fotonin tapahtumia ja tuottamaan useita redox-ekvivalentteja katalyyttisille reaktioille, kuten veden pilkkomiselle.

luonnollisen fotosynteesin innoittamana monet keinotekoiset fotosynteettiset järjestelmät on suunniteltu saavuttamaan samanlaiset toiminnot fotoindukoidussa peräkkäisessä, yksisuuntaisessa ja pitkän matkan elektroninsiirrossa samanaikaisille hapetus-ja pelkistysreaktioille elektroninsiirtoketjun molemmissa päissä (16 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -21). Se on kuitenkin ollut pitkä taistelu tehokkaasti pari useita yhden fotonin tapahtumia useita redox vastaava sukupolvi tarvitaan katalyyttinen reaktio, kuten veden halkaisu. Usein voi tapahtua vain toinen kahdesta yksittäisestä puolireaktiosta, joka paitsi käyttää vain elektroneja tai reikiä, myös aiheuttaa varauksen epätasapainoa. Jotkut järjestelmät saattavat kärsiä varausrekombinaation menetyksestä johtuen riittämättömästä reikä/elektronierotuksesta excitonin jakautumisen jälkeen ja varauserotuksen suuntaisuuden puutteesta. Näin ollen fotokatalyysi-tai aurinkopolttoaineyhteisön haaveena on ollut suunnitella ja syntetoida alustoja, jotka kykenevät keräämään sekä hyvin erotettuja aukkoja että elektroneja fotoindukoidusta varauserotuksesta riittävän pitkäksi aikaa, jotta voidaan suorittaa tehokkaita ja samanaikaisia pelkistys-ja hapetusreaktioita yhdessä järjestelmässä.

Chun et alin esittämä teos. (22) titled ”Spatially separing redox centers on 2D carbon nitride with cobalt single atom for photocatalytic H2O2 production” on osoittanut kiitettävää edistystä pidentää fotoinduced reikä/elektronierotus aika ja etäisyys synteettisellä alustalla käyttäen c3n4 nanosheets jotka toimivat valoa korjuu antenni ja maksu kuljetusjohdot. He suunnittelivat taitavasti kaksiulotteiset (2D) c3n4-nanosäteet isännöimään yksiatomista kobolttikokatalyyttikeskusta hapetusreaktioiden levyn keskellä oleviin tyhjiöihin ja toista kokatalyyttiä antrakinonia (AQ), joka on kovalenttisesti sidoksissa nanosäteiden reunaan vähintään 1 nm: n päässä pelkistysreaktion Co-keskuksesta (Kuva. 1). Kun reiän ja elektronin erottaminen on oikein, nämä tekijät onnistuivat suorittamaan fotokatalyyttisiä reaktioita H2O2: n tuottamiseksi O2: sta ja H2O: sta käyttäen edellä mainittua alustaa ja saavuttamaan useita katalyyttisiä reaktioita yhdessä 2D C3N4-nanosheetissä.

vaikka tämä Co1/AQ / C3N4-alusta näyttää luonnollisessa fotosynteesissä huomattavasti yksinkertaisemmalta kuin reaktiokeskusproteiinit (Kuva. 1), se on merkittävästi voittanut varauksen rekombinaation esteen excitonina ja saavuttaa reaktion selektiivisyyden. Vahvistaakseen kahden erityyppisen redox-Keskuksen erottamisen, kobolttiatomin, joka on kiinnitetty keskellä olevaan tyhjiöön veden hapettumispaikkana, ja AQ: n, joka on kiinnitetty arkkien reunoihin pelkistyspaikkana, nämä kirjoittajat käyttivät useita fysikaalisia luonnehdintatyökaluja ja saivat vakuuttavia todisteita tuloksiensa tueksi. Co: n ja AQ: n dopingpitoisuuksien ja-paikkojen valvonnan avulla he pystyivät asettamaan kaksi kokatalyyttiä erilleen yhteen nanohehkuun varauksen rekombinaation aiheuttaman häviön estämiseksi, ja he saivat aikaan yksisuuntaisen ja kaukaisen elektroninsiirron Co-kohdasta AQ: hon sekä kaivamaan sekä edellisen että jälkimmäisen elektronien aukot hapettavia ja reduktiivisia reaktioita varten yhdessä c3n4-nanohehkussa. Lisäksi tämä Co1 / AQ / C3N4-järjestelmä paransi myös katalyyttisen reaktion selektiivisyyttä käyttämällä Aq: ta kohti H2O2− synteesiä O2: n kahden elektronin pelkistyksellä (O2 + 2h+ + 2e- → H2O2) eikä O2: n neljän elektronin pelkistyksellä (O2 + 4h+ + 4e− → 2H2O) tai kahden elektronin H2-evoluutiolla (2h+ + 2e− → H2).

yhteenvetona, Chu et al. tutkimuksessaan (22) käsitellään samanaikaisesti seuraavia haasteita fotokatalyysissä CO1/AQ/C3N4-alustalla: 1) liikkuvat reikä ja elektroni pois, jossa ne syntyvät kautta exciton halkaisu valon absorptio minimoida menetys geminaatti rekombinaatio kautta puolijohde 2D C3N4 nanosheet; 2) erottamalla Fotokatalyyttinen hapetus koboltti sivuston keskellä ja vähentää Aq sivuston reunalla niin, että kaksi reaktiota voi samanaikaisesti tapahtua ilman uhrautuva luovuttaja/hyväksyjä ja ulkoinen johdotus; ja 3) valitsemalla oikea AQ vähentäminen sivuston niin, että reaktio muodostaa H2O2 on kilpailukykyinen muiden reaktioiden sekä energinen ja kineettinen standpoints.

edellä mainittujen keskeisten edistysaskelten vuoksi tämä tutkimus avaa lähestymistavan sekä tehokkaiden hapetus-että pelkistysreaktioiden saavuttamiseen 2D-valokatalyytillä monissa mahdollisissa reaktioissa, joita voidaan ajaa uusiutuvalla aurinkoenergialla. Odotamme näkevämme onnistuneempia keinotekoisia fotosynteettisiä järjestelmiä ja fotokatalyyttisiä järjestelmiä polttoainetuotantoon aurinkoenergian varastoimiseksi tehokkaasti.