naturliga fotosyntetiska system och fotokatalys delar flera grundläggande processer gemensamt inklusive ljusenergiomvandling och utnyttjande, såsom exciton (excited state) generation / delning och laddningsmigrering. Den höga effektiviteten av ljusomvandling till kemiska redoxekvivalenter i naturlig fotosyntes uppnås genom en elektronöverföringskaskad som resulterar i ett långdistanshål och elektronseparation över membranet (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). Följaktligen minimeras laddningen geminate rekombination, och förlusten reduceras. Maskineriet för naturlig fotosyntes möjliggör högkvantutbyten av foton till elektron / laddningsomvandlingseffektivitet underlättad av en finjusterad lokal potentiell energigradient av proteinet som omger varje klorofyll eller dess derivat för att säkerställa enkelriktad elektronöverföring och effektiv slutlig laddningsseparation över membranet (10 kcal -15). Hålen och elektronerna separerade långt ifrån varandra kan således gå sina separata sätt att driva vattenoxidation respektive kinonreduktion. Med hjälp av funktionerna hos metalloxidkluster eller multipla reduktionsekvivalenter i molekyler som kinoner lyckas naturlig fotosyntes koppla flera enfotonhändelser med generering av flera redoxekvivalenter för katalytiska reaktioner, såsom vattenuppdelning.

inspirerat av naturlig fotosyntes har många konstgjorda fotosyntetiska system utformats för att uppnå liknande funktioner i fotoinducerad Sekventiell, enkelriktad och långdistanselektronöverföring för samtidig oxidation och reduktionsreaktioner vid båda ändarna av elektronöverföringskedjan (16 kcal -21). Det har emellertid varit en lång kamp för att effektivt koppla flera enstaka foton händelser med flera redoxekvivalentgenerering som krävs för katalytisk reaktion, såsom vattendelning. Ofta kan endast en av de två enskilda halvreaktionerna äga rum, som inte bara använder bara elektroner eller hål utan också orsakar laddningsobalans. Vissa system kan drabbas av förlusten från laddningsrekombination på grund av otillräcklig hål/elektronseparation efter exciton-splittringen och från bristen på riktning för laddningsseparation. Således har det varit en dröm för fotokatalys eller solar fuel community att designa och syntetisera plattformar som kan ackumulera både väl separerade hål och elektroner från fotoinducerad laddningsseparation under tillräckligt lång tid för att utföra effektiva och samtidiga reduktions-och oxidationsreaktioner i ett enda system.

arbetet presenterat av Chu et al. (22) betitlade ”rumsligt separerande redox centrerar på 2D-kolnitrid med kobolt enda atom för photocatalytic H2O2 produktion” har visat lovvärda framsteg för att förlänga photoinduced hål/elektronseparationstid och avstånd i en syntetisk plattform med användning av c3n4 nanosheets som fungerar som ljus-skörd antenn och ladda transportledningar. De skickligt utformade tvådimensionella (2D) c3n4 nanosheets att vara värd för en enda atom kobolt kokatalysator centrum vid hålrummen i mitten av arket för oxidativa reaktioner och en annan kokatalysator antrakinon (AQ) kovalent kopplade vid kanten av nanosheets minst 1 nm bort från Co centrum för reduktiv reaktion (Fig. 1). När separationen av hål och elektron är rätt lyckades dessa författare utföra fotokatalytiska reaktioner för att generera H2O2 från O2 och H2O med användning av ovanstående plattform och uppnå flera katalytiska reaktioner i en enda 2D C3N4 nanosheet.

även om denna Co1/AQ/C3N4-plattform ser betydligt enklare ut än reaktionscentrumproteinerna i naturlig fotosyntes (Fig. 1), har det anmärkningsvärt övervinna hindret för laddningsrekombination som exciton splittringar och uppnått reaktionsselektivitet. För att bekräfta separationen av två olika typer av redoxcentra, en koboltatom fäst vid ett tomrum i mitten som ett vattenoxidationsställe och en AQ fäst vid kanterna på arken som en reduktionsställe, använde dessa författare flera fysiska karakteriseringsverktyg och fick övertygande bevis för att stödja deras resultat. Genom kontrollen av dopingkoncentrationer och platser av Co och AQ kunde de ställa in de två kokatalysatorerna i ett enda nanosark för att förhindra förlusten på grund av laddningsrekombination och uppnådde enkelriktad och avlägsen elektronöverföring från Co-plats till AQ såväl som att rensa båda hålen i det förra respektive elektronerna i det senare för oxidativa och reduktiva reaktioner i en enda c3n4 nanosark. Dessutom förstärkte detta Co1/AQ/C3N4-system också katalytisk reaktionsselektivitet genom att använda AQ mot H2O2− syntes via tvåelektronreduktion av O2 (O2 + 2h+ + 2e-sackarios H2O2) snarare än fyraelektronreduktion av O2 (O2 + 4h+ + 4e− sackarios 2H2O) eller tvåelektron H2-evolution (2h+ + 2e− sackarios H2).

i sammanfattning, Chu et al. i sin studie (22) hanterar samtidigt följande utmaningar i fotokatalys i en plattform av Co1/AQ / C3N4: 1) Flytta hål och elektron bort från där de genereras via exciton delning vid ljusabsorption för att minimera förlusten på grund av geminate rekombination via en halvledare 2D c3n4 nanosheet; 2) segregating fotokatalytisk oxidation kobolt plats i mitten och reduktion AQ plats vid kanten så att de två reaktionerna kan samtidigt ske utan behov av offer donator/acceptor och externa ledningar; och 3) Välja rätt aq reduktion plats så att reaktionen att bilda H2O2 är konkurrenskraftig med andra reaktioner i både energiska och kinetiska ståndpunkter.på grund av ovanstående viktiga framsteg öppnar denna forskning ett tillvägagångssätt för att uppnå både effektiva oxidations-och reduktionsreaktioner på 2D-fotokatalysatorer för många möjliga reaktioner som kan drivas av förnybar solenergi. Vi ser fram emot att se mer framgångsrika konstgjorda fotosyntetiska system och fotokatalytiska system för bränsleproduktion för att lagra solenergi effektivt.