Les systèmes photosynthétiques naturels et la photocatalyse partagent plusieurs processus fondamentaux en commun, notamment la conversion et l’utilisation de l’énergie lumineuse, tels que la génération / division d’excitons (état excité) et la migration de charge. La grande efficacité de la conversion de la lumière en équivalents redox chimiques dans la photosynthèse naturelle est obtenue par une cascade de transfert d’électrons entraînant un trou à longue distance et une séparation des électrons à travers la membrane (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) ( Fig. 1). Par conséquent, la recombinaison de gémination de charge est minimisée et la perte est réduite. La machinerie de la photosynthèse naturelle permet des rendements quantiques élevés d’efficacité de conversion photon-électron/ charge facilités par un gradient d’énergie potentiel local ajusté par la protéine entourant chaque chlorophylle ou son dérivé pour assurer un transfert d’électrons unidirectionnel et une séparation efficace des charges finales à travers la membrane (10⇓⇓⇓⇓ -15). Les trous et les électrons séparés les uns des autres peuvent ainsi se séparer pour entraîner respectivement l’oxydation de l’eau et la réduction de la quinone. En utilisant les fonctions de cluster d’oxydes métalliques ou d’équivalents de réduction multiples dans des molécules comme les quinones, la photosynthèse naturelle réussit à coupler plusieurs événements monophotoniques avec la génération de plusieurs équivalents redox pour les réactions catalytiques, telles que la division de l’eau.

Inspirés par la photosynthèse naturelle, de nombreux systèmes photosynthétiques artificiels ont été conçus pour obtenir des fonctions similaires dans le transfert d’électrons séquentiel, unidirectionnel et à longue distance photo-induit pour des réactions d’oxydation et de réduction simultanées aux deux extrémités de la chaîne de transfert d’électrons (16⇓⇓⇓⇓ -21). Cependant, il a été difficile de coupler efficacement plusieurs événements à un seul photon avec plusieurs générations d’équivalents redox nécessaires à une réaction catalytique telle que la division de l’eau. Souvent, une seule des deux demi-réactions simples peut avoir lieu, ce qui non seulement n’utilise que des électrons ou des trous, mais provoque également un déséquilibre de charge. Certains systèmes peuvent subir la perte de la recombinaison de charge due à une séparation trou/ électron insuffisante après la division de l’exciton et à l’absence de directivité de la séparation des charges. Ainsi, il a été un rêve pour la communauté de la photocatalyse ou du combustible solaire de concevoir et de synthétiser des plates-formes capables d’accumuler à la fois des trous bien séparés et des électrons à partir de la séparation des charges photo-induites pendant une durée suffisamment longue pour effectuer des réactions de réduction et d’oxydation efficaces et simultanées dans un seul système.

Les travaux présentés par Chu et al. (22) intitulé « Spatially separating redox centers on 2D carbon nitrure with cobalt single atom for photocatalytic H2O2 production » a montré des progrès louables pour prolonger le temps et la distance de séparation des trous / électrons photo-induits dans une plate-forme synthétique utilisant des nanofeuilles C3N4 qui fonctionnent comme une antenne de récupération de lumière et des conduits de transport de charge. Ils ont intelligemment conçu des nanofeuilles en C3N4 bidimensionnelles (2D) pour accueillir un centre de cocatalyseur de cobalt à un atome au niveau des vides au milieu de la feuille pour les réactions oxydatives et un autre cocatalyseur anthraquinone (AQ) lié de manière covalente au bord des nanofeuilles à au moins 1 nm du centre de Co pour la réaction réductrice (Fig. 1). Lorsque la séparation du trou et de l’électron est correcte, ces auteurs ont réussi à effectuer des réactions photocatalytiques pour générer du H2O2 à partir d’O2 et de H2O en utilisant la plate-forme ci-dessus et obtenir de multiples réactions catalytiques dans une seule nanofeuille 2D C3N4.

Bien que cette plate-forme Co1 /AQ / C3N4 semble nettement plus simple que les protéines du centre de réaction dans la photosynthèse naturelle (Fig. 1), il a remarquablement surmonté l’obstacle de la recombinaison de charge lorsque l’exciton se divise et atteint la sélectivité de la réaction. Pour confirmer la séparation de deux types différents de centres redox, un atome de cobalt attaché à un vide au milieu comme site d’oxydation de l’eau, et un AQ attaché aux bords des feuilles comme site de réduction, ces auteurs ont utilisé plusieurs outils de caractérisation physique et ont obtenu des preuves convaincantes à l’appui de leurs résultats. Grâce au contrôle des concentrations de dopage et des emplacements de Co et d’AQ, ils ont pu séparer les deux cocatalyseurs dans une seule nanofeuille pour éviter la perte due à la recombinaison de charge, et ont réalisé un transfert d’électrons unidirectionnel et distant du site de Co vers AQ ainsi que le balayage des deux trous dans le premier et des électrons dans le second, respectivement, pour les réactions oxydatives et réductrices dans une seule nanofeuille C3N4. De plus, ce système Co1 / AQ / C3N4 a également amélioré la sélectivité de la réaction catalytique en utilisant AQ vers la synthèse de H2O2 via une réduction à deux électrons de O2 (O2 + 2H + + 2e- → H2O2) plutôt qu’une réduction à quatre électrons de O2 (O2 + 4H + + 4e− → 2H2O) ou une évolution à deux électrons de H2 (2H + + 2e- → H2).

En résumé, Chu et al. dans leur étude (22), ils s’attaquent simultanément aux défis suivants en photocatalyse sur une plate-forme de Co1/AQ / C3N4: 1) éloigner le trou et l’électron de l’endroit où ils sont générés par division de l’exciton lors de l’absorption de la lumière pour minimiser la perte due à la recombinaison de géminés via une nanofeuille C3N4 semi-conductrice 2D; 2) séparer le site d’oxydation photocatalytique du cobalt au milieu et le site de réduction AQ au bord afin que les deux réactions puissent avoir lieu simultanément sans avoir besoin de donneur / accepteur sacrificiel et de câblage externe; et 3) sélectionner le site de réduction AQ approprié afin que la réaction de formation de H2O2 soit compétitive avec d’autres réactions à la fois énergétiques et cinétiques.

En raison des avancées clés ci-dessus, cette recherche ouvre une approche pour obtenir des réactions d’oxydation et de réduction efficaces sur des photocatalyseurs 2D pour de nombreuses réactions possibles pouvant être entraînées par l’énergie solaire renouvelable. Nous sommes impatients de voir des systèmes photosynthétiques artificiels et des systèmes photocatalytiques plus performants pour la production de carburant afin de stocker efficacement l’énergie solaire.