Kann möglicherweise Kohlenstoff produzieren

Die Universität Hongkong

Bild: Struktur des künstlichen sphärischen Chromatophor-Nanomicellen-Systems und Untersuchung seines Mechanismus. Bild angepasst aus Nature Catalysis, 2023, doi:10.1038/s41929-023-00962-zmehr sehen

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Die Umwandlung von Solarenergie in CO2-neutrale Kraftstoffe ist ein vielversprechender Ansatz, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und den Klimawandel zu bekämpfen. Nehmen wir Beispiele aus der Natur: Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nutzen Sonnenlicht, um durch einen komplexen biochemischen Prozess, der in speziellen Strukturen namens Chloroplasten abläuft, energiereiche Verbindungen aus Wasser und Kohlendioxid (CO2) zu erzeugen. Die Effizienz dieses natürlichen Prozesses wird jedoch durch Stoffwechselwege begrenzt, die eine vergleichsweise geringe Wirksamkeit bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nützliche Energie aufweisen. Während künstliche photokatalytische Kreisläufe eine höhere intrinsische Effizienz gezeigt haben, basieren sie typischerweise auf reinem oder hochkonzentriertem CO2 und organischen Medien, um eine durch Wasser oder Protonen verursachte Zersetzung des Katalysators zu verhindern.

Forschungsteams unter der Leitung von Professor David Lee PHILLIPS vom Department of Chemistry der University of Hong Kong (HKU), Professor Lili DU von der Jiangsu University (HKU PhD Alumna), Professor Ruquan YE von der City University of Hong Kong und Professor Jia TIAN an Das Shanghai Institute of Organic Chemistry hat ein bemerkenswertes und umweltfreundliches System entwickelt, das Lichtenergie effektiv für den photokatalytischen Prozess nutzen kann. Dieses künstliche System ist äußerst stabil und recycelbar und basiert nicht auf Edelmetallen, was es wirtschaftlicher und nachhaltiger macht. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich online in der führenden Fachzeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.

Hintergrund und Erfolg In der Natur nutzen Organismen einen Prozess namens „hierarchische Selbstorganisation“, um die Lichtgewinnung zu optimieren. Während des Prozesses organisieren sie photokatalytische Komponenten in einer maßgeschneiderten Umgebung, die durch Gerüste auf Lipid- oder Proteinbasis bereitgestellt wird. Um eine hohe Stabilität, Selektivität und Effizienz zu erreichen, beruht die Photosynthese auf der großen Oberfläche und der präzisen räumlichen Kontrolle von Chromophormolekülen und katalytischen Zentren durch Selbstorganisation, was ein Konstruktionsprinzip für hocheffiziente künstliche photokatalytische Systeme bietet.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Vesikel und Mizellen verwendet werden, die durch den Zusammenbau natürlicher Lipide oder synthetischer Tenside mit photokatalytischen Spezies entstehen. Diese Strukturen fungieren als Mikroreaktoren und ahmen die Umgebung von Zellmembranen nach. Allerdings ist die Replikation der natürlichen lichtsammelnden Superkomplexe über synthetische Wege schwer umzusetzen und alles andere als kosteneffektiv.

Mit voller Wertschätzung für die aktuellen Bemühungen und die Herausforderungen haben das HKU-Team und seine Mitarbeiter ein selbstorganisierendes künstliches sphärisches Chromatophor-Nanomicellensystem in Wasser entworfen, das vom Photosyntheseapparat von Rhodobacter sphaeroides inspiriert ist, einer Bakterienart, die häufig im Boden vorkommt Süßwasser, das eine besondere Struktur aufweist, die als „sphärischer lichtsammelnder Chromatophor“ bezeichnet wird. Diese Struktur fungiert als Lichtsensor und verfügt über die bemerkenswerte Fähigkeit, Energie aus dem Sonnenlicht effizient zu übertragen, und zwar über einen einzigartigen Effekt namens „sphärischer Antenneneffekt“, der durch kreisförmige Anordnungen spezifischer Moleküle auf der Oberfläche des Chromatophors entsteht. Dadurch können die Bakterien Sonnenlicht einfangen und effektiv für ihren Energiebedarf nutzen.

Dieses künstliche System ahmt den kugelförmigen lichtsammelnden Chromatophor der Bakterien nach und besteht aus winzigen kugelförmigen Strukturen, sogenannten Nanomicellen, die sich in wässrigen Lösungen selbst zusammensetzen. Diese Nanomicellen dienen als Bausteine ​​des Systems. Das System nutzt modifizierte Moleküle und lichtabsorbierende Verbindungen, die als „Aramid-Linker-verstärkte Zn-Porphyrin-Amphiphile“ bekannt sind und über elektrostatische Kräfte mit einem Co-Katalysator interagieren, was zu einer einzigartigen hierarchischen Anordnung führt. Daher wird diese Anordnung durch den „sphärischen Antenneneffekt“ induziert und verbessert das System, um Energie für photokatalytische Prozesse einzufangen und abzugeben.

Die hierarchische Selbstorganisation des Systems bietet eine vielversprechende Bottom-up-Strategie zur Schaffung eines präzise kontrollierten künstlichen photokatalytischen Systems mit hoher Stabilität und Effizienz, das auf billigen und auf der Erde reichlich vorhandenen Elementen anstelle teurer Edelmetalle basiert.

Professor David Phillips sagte: „Unsere Forschung hat das Potenzial, erneuerbare Energien voranzutreiben, indem sie die effizienten Lichtsammelmechanismen der Natur nachbildet. Dies könnte zu nachhaltigen Lösungen für unseren Energiebedarf und der Produktion von CO2-neutralen Kraftstoffen führen und so zu einer grüneren Zukunft beitragen.“

Professor Lili Du sagte: „Das selbstorganisierende künstliche System ist ein bedeutender Schritt zur Erschließung des vollen Potenzials der Solarenergieumwandlung. Durch die Verbesserung der photokatalytischen Effizienz und Stabilität können Einschränkungen überwunden und eine sauberere, nachhaltigere Energielandschaft geschaffen werden. Diese Forschung bietet vielversprechende praktische Anwendungen.“ bei der Kraftstoffproduktion, Kohlenstoffabscheidung und Umweltsanierung.“

Über Professor David Lee PhillipsProfessor David Lee Phillips ist Lehrstuhlinhaber am Fachbereich Chemie der HKU. Als international anerkannter Chemiker nutzt er zeitaufgelöste Spektroskopieexperimente und quantenmechanische Berechnungen, um kurzlebige Zwischenprodukte in chemischen Reaktionen zu untersuchen, die für Chemie, Biologie und Umwelt von Interesse sind. Er hat mehr als 400 international begutachtete wissenschaftliche Zeitschriftenartikel veröffentlicht, die im Science Citation Index aufgeführt sind. Er ist Mitglied des Editorial Advisory Board der Zeitschrift Molecules und außerdem Mitglied des Advisory Board des Journal of Physical Organic Chemistry. Professor Phillips schloss sein Studium an der Iowa State University mit einem BSc und an der University of California, Irvine mit einem PhD ab. Weitere Informationen zu seiner Forschungsgruppe: https://sites.google.com/view/dlplab/home?pli=1

Über das ForschungsteamProfessor Jia Tian vom Shanghai Institute of Organic Chemistry, Professor Lili Du von der Jiangsu University, Professor David Lee Phillips von der University of Hong Kong und Assistenzprofessor Ruquan Ye von der City University of Hong Kong sind die Mitautoren. Herr Junlai Yu und Libei Huang aus der Gruppe von Professor Tian sind die Co-Erstautoren. Professor Ian Manners von der University of Victoria und andere Forscher (darunter Qingxuan Tang, Shang-Bo Yu, Qiao-Yan Qi, Jiangshan Zhang, Danying Ma, Yifei Lei, Jianjun Su, Yun Song, Jean-Charles Eloi, Robert L. Harniman). , Ufuk Borucu, Long Zhang, Minghui Zhu, Feng Tian) vom Shanghai Institute of Organic Chemistry und der University of Victoria tragen zu diesem Projekt bei.

Zeitschriftentitel: „Künstliche sphärische Chromatophor-Nanomicellen zur selektiven CO2-Reduktion in Wasser“ (Nature Catalysis, 2023) Der Zeitschriftenartikel kann hier abgerufen werden: https://www.nature.com/articles/s41929-023-00962-z#citeasImage Download und Bildunterschrift: https://www.scifac.hku.hk/pressFür Medienanfragen wenden Sie sich bitte an Frau Casey To, Beauftragte für Außenbeziehungen (Tel.: 3917-4948; E-Mail: [email protected]) und Frau Cindy Chan, Assistentin Kommunikationsdirektor der Fakultät für Naturwissenschaften (Tel.: 3917-5286; E-Mail: [email protected]).

Naturkatalyse

10.1038/s41929-023-00962-z

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Künstliche sphärische Chromatophor-Nanomicellen zur selektiven CO2-Reduktion in Wasser

18. Mai 2023

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