natuurlijke fotosynthetische systemen en fotokatalyse hebben verschillende fundamentele processen gemeen, waaronder omzetting en gebruik van lichtenergie, zoals opwekking/splitsing van exciton (opgewekte toestand) en ladingsmigratie. De hoge efficiency van lichte omzetting in chemische redoxequivalenten in natuurlijke fotosynthese wordt bereikt door een elektronenoverdrachtscascade resulterend in een gat over lange afstand en elektronenscheiding over het membraan (1⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-9) (Fig. 1). Bijgevolg wordt de combinatie van ladingsgeminate gemineerd gemineerd, en wordt het verlies verminderd. De machinerie van natuurlijke fotosynthese maakt hoge kwantumopbrengst van Foton aan elektron / lading omzettingsefficiëntie mogelijk die door een verfijnde lokale potentiële energiegradiënt door het eiwit wordt vergemakkelijkt dat elk chlorofyl of zijn derivaat omringt om unidirectionele elektronenoverdracht en efficiënte uiteindelijke ladingsscheiding over het membraan te verzekeren (10⇓ ⇓ ⇓ ⇓-15). De gaten en elektronen die ver van elkaar gescheiden zijn, kunnen zo hun eigen weg gaan om respectievelijk wateroxidatie en quinonreductie te drijven. Met behulp van de functies van metaaloxidecluster of veelvoudige reductieequivalenten in molecules zoals quinones, slaagt de natuurlijke fotosynthese in het koppelen van veelvoudige enig-fotongebeurtenissen met generatie van veelvoudige redoxequivalenten voor katalytische reacties, zoals het splitsen van water.

geïnspireerd door natuurlijke fotosynthese, zijn veel kunstmatige fotosynthetische systemen ontworpen om vergelijkbare functies te bereiken in foto-geïnduceerde sequentiële, unidirectionele en lange afstand elektronenoverdracht voor gelijktijdige oxidatie-en reductiereacties aan de beide uiteinden van de elektronenoverdrachtketen (16 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ -21). Nochtans, is het een lange strijd geweest om veelvoudige enig-fotongebeurtenissen met veelvoudige redoxequivalentgeneratie effectief te koppelen die voor katalytische reactie zoals water het splitsen wordt vereist. Vaak kan slechts één van de twee afzonderlijke halfreacties plaatsvinden, die niet alleen elektronen of gaten gebruikt, maar ook ladingsonbalans veroorzaakt. Sommige systemen kunnen het verlies van ladingsrecombinatie wegens onvoldoende gat/elektronenscheiding na het exciton splitsen en van het gebrek aan richting van ladingsscheiding lijden. Het is dus een droom voor fotokatalyse of zonnebrandstofgemeenschap geweest om platforms te ontwerpen en te synthetiseren die zowel goed gescheiden gaten als elektronen kunnen accumuleren uit foto-geïnduceerde ladingscheiding gedurende voldoende lange tijd om effectieve en gelijktijdige reductie-en oxidatiereacties in één systeem uit te voeren.

het werk gepresenteerd door Chu et al. (22) getiteld “Spatially separating redox centers on 2D carbon nitride with cobalt single atom for photocatalytic H2O2 production” heeft lovenswaardig vooruitgang te verlengen photoinduced gat/elektron scheiding tijd en afstand in een synthetisch platform met behulp van c3n4 nanosheets die functioneren als licht oogsten antenne en lading transportleidingen. Ze ontwierpen slim tweedimensionale (2D) c3n4 nanosheets om een enkel-atoom cobalt cocatalyst Centrum te hosten in de holtes in het midden van de plaat voor de oxidatieve reacties en een andere covalent verbonden cocatalyst antrachinone (AQ) aan de rand van de nanosheets op minstens 1 nm afstand van het co Centrum voor reductieve reactie (Fig. 1). Wanneer de scheiding van gat en elektron juist is, slaagden deze auteurs in het uitvoeren van fotokatalytische reacties om H2O2 van O2 en H2O te produceren gebruikend het bovengenoemde platform en veelvoudige katalytische reacties in één enkele 2D c3n4 nanosheet te bereiken.

hoewel dit CO1/AQ / C3N4-platform er aanzienlijk eenvoudiger uitziet dan de eiwitten van het reactiecentrum in de natuurlijke fotosynthese (Fig. 1), heeft het Opmerkelijk de hindernis van lastencombinatie overwonnen aangezien exciton zich splitst en reactieselectiviteit bereikte. Om de scheiding van twee verschillende soorten redoxcentra te bevestigen, een kobaltatoom dat aan een leegte in het midden als wateroxidatieplaats is bevestigd, en een AQ die aan de randen van de bladen als reductieplaats is bevestigd, gebruikten deze auteurs verschillende fysische karakteriseringshulpmiddelen en verkregen overtuigend bewijs om hun resultaten te ondersteunen. Door de controle van dopingconcentraties en plaatsen van Co en AQ, waren zij in staat om de twee cocatalysatoren apart in één enkele nanosheet te plaatsen om het verlies toe te schrijven aan ladingsrecombinatie te verhinderen, en bereikten unidirectionele en verre elektronenoverdracht van co-plaats aan AQ evenals het opruimen van beide gaten in de eerste en elektronen in de laatste, respectievelijk, voor de oxidatieve en reductieve reacties in één enkele c3n4 nanosheet. Bovendien verbeterde dit Co1/AQ / C3N4 systeem ook de katalytische reactie selectiviteit door AQ te gebruiken in de richting van H2O2 synthese via twee-elektronen reductie van O2 (O2 + 2H + + 2e – → H2O2) in plaats van vier-elektronen reductie van O2 (O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O) of twee-elektronen H2 evolutie (2H+ + 2e− → H2).

samengevat, Chu et al. in hun studie (22) gaan ze gelijktijdig de volgende uitdagingen aan in de fotokatalyse in een platform van Co1 / AQ / C3N4: 1) bewegend gat en elektron weg van waar zij via exciton splijten op lichtabsorptie worden gegenereerd om het verlies toe te schrijven aan geminate recombinatie via een halfgeleider 2D c3n4 nanosheet te minimaliseren; 2) het scheiden van de plaats van het fotokatalytische oxidatie kobalt in het Midden en de plaats van de vermindering AQ bij de rand zodat de twee reacties gelijktijdig zonder de behoeften aan opofferingsdonor/acceptor en externe bedrading kunnen plaatsvinden; en 3) het selecteren van juiste AQ reductieplaats zodat de reactie van het vormen van H2O2 met andere reacties in zowel energieke als kinetische standpoints concurrerend is.

vanwege de bovenstaande belangrijke vooruitgang opent dit onderzoek een aanpak om zowel efficiënte oxidatie-als reductiereacties op 2D-fotokatalysatoren te bereiken voor vele mogelijke reacties die kunnen worden aangedreven door hernieuwbare zonne-energie. We kijken uit naar meer succesvolle kunstmatige fotosynthetische systemen en fotokatalytische systemen voor brandstofopwekking om zonne-energie effectief op te slaan.