Нанореактор имитирует живую клетку для улучшения искусственного фотосинтеза. 1 кредит
Группа учёных под руководством профессора Ли Джана из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) и профессора Цзянь Лю из Университета Внутренней Монголии создала нанореактор, воспроизводящий ключевые принципы строения живых клеток. Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества. Предложенный объект — полный нанореактор CdS@polydopamine — имитирует две важнейшие особенности биологической организации, что позволяет переносить высокоупорядоченные химические функции клеток в синтетические материалы.
Воссоздание клеточной химии на наномасштабе
Живые клетки выполняют сложные биохимические превращения с исключительной точностью и эффективностью. Секрет заключается в строгом пространственном распределении компонентов: молекулы движутся, взаимодействуют и вступают в реакции в тонко регулируемых условиях. Инженеры и химики пытаются перенести эти принципы на искусственные наноматериалы. Направление, получившее название «инженерия наноячеек», ориентировано на создание клеточных структур со специализированными поверхностями и изолированными порами. Такие конструкты, известные как нанореакторы, объединяют достижения клеточной биологии и нанотехнологий.
Биомиметические компоненты системы
Две функции на основе ячеек
В новой разработке заложены два биомиметических элемента. Первый — динамическая окислительно-восстановительная пара катехол/о-бензохинон, размещённая в полидофаминовой оболочке. Эта пара функционирует не как активный протонный насос, а как протонное реле: многократно принимая и высвобождая протоны, она управляет сопряжённым переносом электронов и протонов (PCET) — процессом, в котором движение зарядов жёстко взаимосвязано.
Второй элемент — пространственно разделённая архитектура. Внутри нанореактора имеется полая полость нанометрового размера, окружённая пористой оболочкой, которая образует замкнутую среду. Подобное устройство способствует накоплению реагентов, поддерживает диффузию молекул и улавливает поступающие фотоны, поэтому светоуправляемые реакции протекают заметно эффективнее.
Улучшение фотосинтеза перекиси водорода
Комбинация этих функций позволяет выровнять скорости двух полуреакций — восстановления кислорода и окисления воды, которые должны действовать согласованно при производстве перекиси водорода. При облучении видимым светом в водном растворе нанореактор достиг скорости фотосинтеза H2O2 3,24 ммоль·гкат⁻¹·час⁻¹, а эффективность преобразования солнечной энергии в химическую составила 1,2%.
Чтобы понять механизм работы системы, авторы применили спектроскопию in situ, фотохимический анализ, моделирование методом конечных элементов и теоретические расчёты. Эти методы позволили наблюдать за процессами в нанореакторе и уточнить фотокаталитический механизм на основе Z-схем гетероперехода.
Перерабатываемая система, работающая на солнечном свете
Кроме того, исследователи включили нанореакторы в экологически безопасную гидрогелевую матрицу на основе альгината натрия. В результате получены твёрдые материалы, пригодные для вторичной переработки. Такие фотокатализаторы обеспечивают непрерывный синтез H2O2 под действием солнечного света, сохраняя при этом стабильную производительность.
«Наше исследование предлагает новый поворот в разработке биомиметических нанореакторов, которые всё больше повторяют сложную функцию живой клетки, открывая новые возможности в области искусственного фотосинтеза, энергетического катализа и синтетической химии», — заявил профессор Ли Джан.