sistemele fotosintetice naturale și fotocataliza împărtășesc mai multe procese fundamentale în comun, inclusiv conversia și utilizarea energiei luminoase, cum ar fi generarea/divizarea excitonului (starea excitată) și migrarea încărcăturii. Eficiența ridicată a conversiei luminii în echivalenți redox chimici în fotosinteza naturală este realizată printr-o cascadă de transfer de electroni, rezultând o gaură pe distanțe lungi și separarea electronilor pe membrană (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). În consecință, recombinarea sarcinii geminate este redusă la minimum, iar pierderea este redusă. Mecanismul fotosintezei naturale permite randamente cuantice ridicate ale eficienței de conversie a fotonului la electron/sarcină facilitată de un gradient de energie potențială locală reglat fin de proteina care înconjoară fiecare clorofilă sau derivatul acesteia pentru a asigura transferul unidirecțional de electroni și separarea eficientă a sarcinii finale pe membrană (10 -15). Găurile și electronii separați departe unul de celălalt pot merge astfel pe căile lor separate pentru a conduce oxidarea apei și, respectiv, reducerea chinonei. Folosind funcțiile clusterului de oxid metalic sau echivalenți multipli de reducere în molecule precum chinone, fotosinteza naturală reușește să cupleze mai multe evenimente cu un singur foton cu generarea de echivalenți redox multipli pentru reacții catalitice, cum ar fi divizarea apei.

inspirate de fotosinteza naturală, multe sisteme fotosintetice artificiale au fost proiectate pentru a realiza funcții similare în transferul de electroni secvențial, unidirecțional și pe distanțe lungi fotoinduse pentru reacții simultane de oxidare și reducere la ambele capete ale lanțului de transfer de electroni (16 -21). Cu toate acestea, a fost o luptă lungă pentru a cupla în mod eficient mai multe evenimente cu un singur foton cu generație echivalentă redox multiplă necesară pentru reacția catalitică, cum ar fi divizarea apei. Frecvent, poate avea loc doar una dintre cele două jumătăți de reacții unice, care nu numai că utilizează numai electroni sau găuri, dar provoacă și dezechilibru de încărcare. Unele sisteme pot suferi pierderea din recombinarea sarcinii din cauza separării insuficiente a găurilor / electronilor după divizarea excitonului și din lipsa direcționalității separării sarcinii. Astfel, a fost un vis pentru fotocataliza sau comunitatea de combustibil solar să proiecteze și să sintetizeze platforme capabile să acumuleze atât găuri bine separate, cât și electroni din separarea sarcinii fotoinduse pentru un timp suficient de lung pentru a efectua reacții eficiente și simultane de reducere și oxidare într-un singur sistem.

lucrarea prezentată de Chu și colab. (22) intitulat „separarea spațială a centrelor redox pe nitrura de carbon 2D cu un singur atom de cobalt pentru producția fotocatalitică de H2O2” a arătat progrese lăudabile pentru a prelungi timpul și distanța de separare a găurilor fotoinduse/electronilor într-o platformă sintetică folosind nanosheets C3N4 care funcționează ca antenă de recoltare a luminii și conducte de transport de încărcare. Au proiectat inteligent nanosheets bidimensionale (2D) c3n4 pentru a găzdui un centru cocatalizator de cobalt cu un singur atom la golurile din mijlocul foii pentru reacțiile oxidative și o altă antrachinonă cocatalizatoare (AQ) legată covalent la marginea nanosheets la cel puțin 1 nm distanță de centrul Co pentru reacție reductivă (Fig. 1). Când separarea găurii și a electronului este corectă, acești autori au reușit să efectueze reacții fotocatalitice pentru a genera H2O2 din O2 și H2O folosind platforma de mai sus și să obțină reacții catalitice multiple într-o singură nanosheet 2D C3N4.

deși această platformă Co1/AQ / C3N4 pare semnificativ mai simplă decât proteinele Centrului de reacție din fotosinteza naturală (Fig. 1), a depășit remarcabil obstacolul recombinării încărcăturii pe măsură ce excitonul se desparte și a obținut selectivitatea reacției. Pentru a confirma separarea a două tipuri diferite de centre redox, un atom de cobalt atașat la un gol în mijloc ca sit de oxidare a apei și un AQ atașat la marginile foilor ca sit de reducere, acești autori au folosit mai multe instrumente de caracterizare fizică și au obținut dovezi convingătoare pentru a susține rezultatele lor. Prin controlul concentrațiilor de dopaj și a locațiilor de Co și AQ, au reușit să stabilească cei doi cocatalizatori într-o singură nanosheet pentru a preveni pierderea datorată recombinării încărcăturii și au realizat transferul de electroni unidirecțional și îndepărtat de la site-ul Co la AQ, precum și curățarea ambelor găuri în primul și electronii din acesta din urmă, respectiv, pentru reacțiile oxidative și reductive într-o singură nanosheet C3N4. Mai mult decât atât, acest sistem Co1/AQ/C3N4 a îmbunătățit, de asemenea, selectivitatea reacției catalitice prin utilizarea AQ spre sinteza H2O2 prin reducerea cu doi electroni a O2 (O2 + 2h+ + 2e-x2o2), mai degrabă decât reducerea cu patru electroni a O2 (O2 + 4h+ + 4e− x2h2o) sau evoluția H2 cu doi electroni (2h+ + 2e-x2h2).

în rezumat, Chu și colab. în studiul lor (22) abordează simultan următoarele provocări în fotocataliză într-o platformă de Co1/AQ/C3N4: 1) deplasarea găurii și a electronului departe de locul în care sunt generate prin divizarea excitonului la absorbția luminii pentru a minimiza pierderea datorată recombinării geminate printr-o nanosheet semiconductor 2D C3N4; 2) segregarea sitului de cobalt de oxidare fotocatalitică în mijloc și reducerea sitului AQ la margine, astfel încât cele două reacții să poată avea loc simultan fără a fi nevoie de donator/acceptor de sacrificiu și cablare externă; și 3) Selectarea sitului de reducere AQ adecvat, astfel încât reacția de formare a H2O2 să fie competitivă cu alte reacții atât în punctele de vedere energetice, cât și cinetice.datorită progreselor cheie de mai sus, această cercetare deschide o abordare pentru realizarea atât a reacțiilor eficiente de oxidare, cât și de reducere a fotocatalizatorilor 2D pentru multe reacții posibile care pot fi conduse de energia solară regenerabilă. Așteptăm cu nerăbdare să vedem sisteme fotosintetice artificiale mai reușite și sisteme fotocatalitice pentru generarea de combustibil pentru a stoca eficient energia solară.