Нанореактор имитирует живые клетки для улучшения искусственного фотосинтеза. Источник: JACS

Биомиметический нанореактор сочетает в себе принципы клеточной организации для эффективного производства перекиси водорода под воздействием видимого света.

Внутри полой наноразмерной структуры исследователи воссоздали две стратегии, которые живые клетки используют для контроля химических реакций. Получившийся нанореактор CdS@полидофамин представляет собой синтетический способ воспроизведения некоторых особенностей организации и эффективности биологических систем.

Работа была опубликована в Журнале Американского химического общества. Цань Ли из Даляньского института химической физики (DICP), входящего в состав Китайской академии наук (КАН), руководил исследованием совместно с группой Цзянь Лю из Университета Внутренней Монголии.

Клетки организуют биохимические реакции с помощью ограниченных многоуровневых структур, компоненты которых занимают строго определенные места. Наноячеистая инженерия применяет аналогичные принципы к искусственным материалам, создавая нанореакторы, похожие на клетки, со специализированными поверхностями и отдельными порами или полостями. Этот подход объединяет клеточную биологию и нанотехнологии для управления реакциями в чрезвычайно малых пространствах.

Две функции, вдохновленные строением клетки, работают вместе

Полый нанореактор сочетает в себе две биомиметические функции. Первая обеспечивается динамической окислительно-восстановительной парой катехол/о-бензохинон в его полидофаминовой оболочке. Вместо того чтобы активно перекачивать протоны, эта пара действует как ретранслятор, который многократно принимает и отдает их, ускоряя протонно-связанный электронный перенос (PCET).

Схематическое изображение фотокаталитического синтеза H₂O₂ на полых частицах CdS@полидофамин, основанное на биомиметической системе протонного транспорта и разработке нанореактора.Источник: Ли Хайтао

Вторая особенность — секционированная структура нанореактора. Пористая внешняя оболочка окружает нанополость, создавая замкнутую среду, которая способствует обогащению реагентов, массовой диффузии и захвату фотонов.

В совокупности эти свойства помогают сбалансировать различные скорости реакций восстановления кислорода и окисления воды. При освещении видимым светом в водном растворе система обеспечила скорость фотосинтеза H₂O₂ 3,24 ммоль гкат.-1 ч-1 и эффективность преобразования солнечной энергии в химическую 1,2%.

Конструкция гидрогеля позволяет повторно использовать солнечный свет

Исследователи использовали спектроскопию in situ, фотохимические измерения, моделирование методом конечных элементов и теоретические расчеты, чтобы изучить принцип работы нанореактора. Их анализ позволил выявить биомиметический процесс и уточнить фотокаталитический механизм на основе гетероперехода по схеме Z.

Кроме того, они поместили материал в экологически безопасный гидрогель альгината натрия. В результате получились твердые фотокатализаторы, пригодные для вторичной переработки и способные поддерживать стабильный синтез H₂O₂ под воздействием естественного солнечного света.

«Наше исследование предлагает новую стратегию создания биомиметических нанореакторов, которые все больше воспроизводят сложные функции живых клеток, открывая новые возможности в области искусственного фотосинтеза, энергетического катализа и синтетической химии», — сказал профессор Ли.