a természetes fotoszintetikus rendszerek és a fotokatalízis számos alapvető közös folyamattal rendelkezik, beleértve a fényenergia átalakítását és felhasználását, mint például az exciton (gerjesztett állapot) generálása/felosztása és a töltés migrációja. A természetes fotoszintézis során a kémiai redox ekvivalenssé történő fényátalakítás nagy hatékonyságát egy elektrontranszfer kaszkáddal érik el, amely hosszú távú lyukat és elektron elválasztást eredményez a membránon (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). Ennek következtében a töltés geminát rekombináció minimálisra csökken, és a veszteség csökken. A természetes fotoszintézis gépezete lehetővé teszi a foton elektron/töltés konverziós hatékonyságának nagy kvantum hozamát, amelyet az egyes klorofillokat vagy származékait körülvevő fehérje finomhangolt helyi potenciális energia gradiensével megkönnyít, hogy biztosítsa az egyirányú elektronátvitelt és a hatékony végső töltés elválasztást a membránon keresztül (10-15). Az egymástól távol eső lyukak és elektronok így külön utakon járhatnak a víz oxidációjának és a kinon redukciójának érdekében. A fém-oxid klaszter vagy többszörös redukciós ekvivalensek funkcióinak felhasználásával olyan molekulákban, mint a kinonok, a természetes fotoszintézisnek sikerül több egyfoton eseményt összekapcsolnia több redox ekvivalens generálásával katalitikus reakciókhoz, például vízhasításhoz.

a természetes fotoszintézis ihlette számos mesterséges fotoszintetikus rendszert úgy terveztek, hogy hasonló funkciókat érjenek el a fotoindukált szekvenciális, egyirányú és hosszú távú elektrontranszferekben az elektrontranszfer lánc mindkét végén egyidejű oxidációs és redukciós reakciókhoz (16 6-21). Hosszú küzdelem volt azonban több egyfoton esemény hatékony összekapcsolása a katalitikus reakcióhoz, például a víz felosztásához szükséges többszörös redox ekvivalens generációval. Gyakran a két egyszeri félreakció közül csak az egyik fordulhat elő, amely nemcsak elektronokat vagy lyukakat használ, hanem a töltés egyensúlyhiányát is okozza. Egyes rendszerek veszteséget szenvedhetnek a töltés rekombinációjából az exciton hasítás utáni elégtelen lyuk/elektron elválasztás, valamint a töltés elválasztásának irányának hiánya miatt. Így a fotokatalízis vagy a napenergia-üzemanyag-közösség álma volt olyan platformok tervezése és szintetizálása, amelyek képesek mind a jól elkülönített lyukakat, mind az elektronokat a fotoindukált töltés elválasztásából elég hosszú ideig felhalmozni ahhoz, hogy hatékony és egyidejű redukciós és oxidációs reakciókat hajtsanak végre egyetlen rendszerben.

a munka által bemutatott Chu et al. (22) címmel “térben elválasztó redox központok 2D szén-nitrid kobalt egyetlen atom fotokatalitikus H2O2 termelés” azt mutatja, dicséretes előrelépés, hogy meghosszabbítja fotoindukált lyuk/elektron elválasztási idő és távolság egy szintetikus platform segítségével c3n4 nanosheets, hogy a funkció, mint a fény-betakarító antenna és töltés szállítási vezetékek. Ők ügyesen tervezett kétdimenziós (2D) c3n4 nanosheets, hogy a fogadó egy atom kobalt cocatalyst központ az üregek közepén a lap az oxidatív reakciók és egy másik cocatalyst antrakinon (AQ) kovalensen kapcsolódik a szélén a nanosheets legalább 1 nm-re a co központ reduktív reakció (ábra. 1). Amikor a lyuk és az elektron elválasztása helyes, ezeknek a szerzőknek sikerült fotokatalitikus reakciókat végrehajtaniuk, hogy H2O2-t generáljanak O2-ből és H2O-ból a fenti platform segítségével, és több katalitikus reakciót érjenek el egyetlen 2D C3N4 nanosheetben.

bár ez a Co1/AQ / C3N4 platform lényegesen egyszerűbbnek tűnik, mint a természetes fotoszintézis reakcióközponti fehérjéi (ábra. 1), figyelemre méltóan legyőzte a töltés rekombinációjának akadályát, mivel az exciton hasad, és elérte a reakció szelektivitását. Két különböző típusú redoxcentrum elválasztásának megerősítésére, egy kobalt atom, amely a közepén lévő üreghez kapcsolódik, mint víz oxidációs hely, és egy AQ, amely a lapok széleihez redukciós helyként kapcsolódik, ezek a szerzők számos fizikai jellemzési eszközt alkalmaztak, és meggyőző bizonyítékokat szereztek eredményeik alátámasztására. A CO és az AQ doppingkoncentrációinak és helyeinek ellenőrzése révén képesek voltak a két kokatalizátort egyetlen nanolemezben elkülöníteni, hogy megakadályozzák a töltés rekombináció miatti veszteséget, és egyirányú és távoli elektronátvitelt értek el a Co helyről az AQ-ra, valamint mindkét lyukat az előbbiben és az elektronokat az utóbbiban, az oxidatív és reduktív reakciókhoz egyetlen C3N4 nanolemezben. Sőt, ez a Co1 / AQ / C3N4 rendszer szintén fokozta a katalitikus reakció szelektivitását azáltal, hogy AQ-t alkalmazta H2O2 szintézis az O kételektronos redukcióján keresztül2 (O2 + 2h+ + 2e− H2O2) az O négyelektronos redukciója helyett2 (O2 + 4h+ + 4e-2H2O) vagy kételektronos H2 evolúció (2h+ + 2e− h2).

összefoglalva, Chu et al. tanulmányukban (22) egyidejűleg kezelik a következő kihívásokat a fotokatalízis során a CO1/AQ/C3N4 platformon: 1) mozgó lyuk és elektron távol, ahol keresztül keletkezik exciton hasító után fényelnyelés veszteség minimalizálása miatt geminát rekombináció keresztül félvezető 2D C3N4 nanosheet; 2) elkülönítése fotokatalitikus oxidációs kobalt hely közepén és csökkentése AQ hely szélén úgy, hogy a két reakció egyszerre zajlik anélkül, hogy szükség van áldozati donor/akceptor és a külső vezetékek; és 3) kiválasztása megfelelő AQ redukciós hely úgy, hogy a reakció alkotó H2O2 versenyképes más reakciók mind energetikai és kinetikai szempontból.

a fenti kulcsfontosságú előrelépések miatt ez a kutatás megközelítést nyit meg mind a hatékony oxidációs, mind a redukciós reakciók eléréséhez 2D fotokatalizátorokon számos lehetséges reakcióhoz, amelyeket megújuló napenergia hajthat. Bízunk benne, hogy sikeresebb mesterséges fotoszintetikus rendszereket és fotokatalitikus rendszereket látunk az üzemanyag-termeléshez a napenergia hatékony tárolására.