naturalne systemy fotosyntetyczne i fotokataliza mają wspólne kilka podstawowych procesów, w tym konwersję i wykorzystanie energii świetlnej, takich jak generowanie/dzielenie excitonu (stanu wzbudzonego) i migracja ładunku . Wysoka skuteczność Konwersji Światła Do chemicznych odpowiedników redoks w naturalnej fotosyntezie jest osiągana przez kaskadę transferu elektronów, w wyniku której powstaje otwór na duże odległości i separacja elektronów w całej membranie (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). W związku z tym rekombinacja geminatu ładunku jest zminimalizowana, a strata jest zmniejszona. Maszyna naturalnej fotosyntezy umożliwia wysoką wydajność kwantową fotonu do konwersji elektronu/ładunku, ułatwioną przez precyzyjnie dostrojony lokalny gradient energii potencjalnej przez białko otaczające każdy chlorofil lub jego pochodną, aby zapewnić jednokierunkowy transfer elektronów i skuteczną separację ładunku końcowego przez membranę (10 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -15). Otwory i elektrony oddzielone daleko od siebie mogą więc iść swoimi oddzielnymi drogami do napędzania utleniania wody i redukcji chinonów, odpowiednio. Wykorzystując funkcje klastra tlenku metalu lub wielokrotnych odpowiedników redukcji w cząsteczkach takich jak chinony, naturalna fotosynteza udaje się połączyć wiele zdarzeń jednofotonowych z generowaniem wielu odpowiedników redoks dla reakcji katalitycznych, takich jak rozszczepienie wody.

zainspirowane naturalną fotosyntezą, wiele sztucznych systemów fotosyntetycznych zostało zaprojektowanych w celu osiągnięcia podobnych funkcji w fotoindukowanym sekwencyjnym, jednokierunkowym i dalekosiężnym przenoszeniu elektronów dla jednoczesnych reakcji utleniania i redukcji na obu końcach łańcucha przenoszenia elektronów (16 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -21). Jednak od dawna trudno jest skutecznie połączyć wiele pojedynczych fotonów z wieloma generacjami równoważnymi redoks wymaganymi do reakcji katalitycznych, takich jak rozszczepienie wody. Często może zachodzić tylko jedna z dwóch pojedynczych reakcji połowicznych, która nie tylko wykorzystuje tylko elektrony lub dziury, ale także powoduje nierównowagę ładunku. Niektóre systemy mogą cierpieć straty z powodu rekombinacji ładunku z powodu niewystarczającej separacji otworu / elektronu po rozszczepieniu excitonu i braku kierunkowości separacji ładunku. Tak więc marzeniem fotokatalizy lub Społeczności paliw słonecznych było zaprojektowanie i zsyntetyzowanie platform zdolnych do gromadzenia zarówno dobrze oddzielonych dziur, jak i elektronów z fotoindukowanej separacji ładunków przez wystarczająco długi czas, aby przeprowadzić skuteczne i jednoczesne reakcje redukcji i utleniania w jednym systemie.

praca prezentowana przez Chu et al. (22) zatytułowany „przestrzenne oddzielanie centrów redoks na azotku węgla 2D z pojedynczym atomem kobaltu do fotokatalitycznej produkcji H2O2” wykazał godny pochwały postęp w przedłużaniu fotoindukowanego czasu i odległości separacji otworów/elektronów w syntetycznej platformie przy użyciu nanosheetów C3N4, które działają jako antena zbierająca światło i przewody transportu ładunku. Sprytnie zaprojektowali dwuwymiarowe (2D) nanosheets c3n4 do hostowania pojedynczego atomu kobaltu kokatalyst centrum w Pustkach w środku arkusza dla reakcji oksydacyjnych i innego kokatalyst antrachinonu (AQ) kowalencyjnie połączone na krawędzi nanosheets co najmniej 1 nm od centrum co dla reakcji redukcyjnej (Fig. 1). Gdy rozdzielenie otworu i elektronu jest właściwe, autorom udało się przeprowadzić reakcje fotokatalityczne, aby wytworzyć H2O2 z O2 i H2O przy użyciu powyższej platformy i uzyskać wiele reakcji katalitycznych w jednym NANOSHEECIE 2D C3N4.

chociaż ta platforma Co1/AQ/C3N4 wygląda znacznie prostiej niż białka centrum reakcji w naturalnej fotosyntezie (rys. 1), znacznie przezwyciężył barierę rekombinacji ładunku, gdy exciton dzieli się i osiąga selektywność reakcji. Aby potwierdzić oddzielenie dwóch różnych typów centrów redoks, atomu kobaltu przymocowanego do pustki w środku jako miejsca utleniania wody i AQ przymocowanego do krawędzi arkuszy jako miejsca redukcji, autorzy Ci zastosowali kilka narzędzi charakterystyki fizycznej i uzyskali przekonujące dowody na poparcie swoich wyników. Poprzez kontrolę stężeń domieszkujących i lokalizacji Co i AQ, byli w stanie ustawić dwa kokatalizatory osobno w pojedynczej nanosheet, aby zapobiec utracie spowodowanej rekombinacją ładunków i osiągnąć jednokierunkowy i odległy transfer elektronów z miejsca Co do AQ, a także zmiatanie obu otworów w pierwszym i elektronów w drugim, odpowiednio, dla reakcji oksydacyjnych i redukcyjnych w pojedynczym nanosheet c3n4. Co więcej, ten system CO1/AQ/C3N4 również zwiększył selektywność reakcji katalitycznej poprzez zastosowanie AQ w kierunku syntezy H2O2 poprzez dwuelektronową redukcję O2 (O2 + 2h+ + 2e− → H2O2) zamiast czterostronowej redukcji O2 (O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O) lub dwuelektronową ewolucję H2 (2h+ + 2e− → H2).

in summary, Chu et al. w swoich badaniach (22) jednocześnie podejmują następujące wyzwania w fotokatalizie na platformie Co1 / AQ / C3N4: 1) ruchome otwory i elektrony z dala od miejsca, w którym są generowane przez rozszczepienie excitonu po absorpcji światła, aby zminimalizować straty spowodowane rekombinacją geminatu przez półprzewodnikowy nanosheet 2D c3n4; 2) segregacja fotokatalitycznego miejsca utleniania kobaltu w środku i miejsca redukcji AQ na krawędzi, tak aby obie reakcje mogły jednocześnie zachodzić bez potrzeby ofiarnego dawcy/akceptora i zewnętrznego okablowania; i 3) Wybór właściwego miejsca redukcji AQ, tak aby reakcja formowania H2O2 była konkurencyjna z innymi reakcjami zarówno w punktach energetycznych, jak i kinetycznych.

ze względu na powyższe kluczowe postępy, badania te otwierają podejście do osiągnięcia zarówno skutecznych reakcji utleniania, jak i redukcji na fotokatalizatorach 2D dla wielu możliwych reakcji, które mogą być napędzane przez odnawialną energię słoneczną. Z niecierpliwością czekamy na bardziej udane sztuczne systemy fotosyntetyczne i systemy fotokatalityczne do wytwarzania paliwa w celu efektywnego przechowywania energii słonecznej.