Нанореактор, вдохновленный клетками, превращает солнечный свет в перекись водорода

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

Исследователи создали полый нанореактор CdS@полидопамин, который имитирует две важные особенности живых клеток. Эта разработка предлагает новый способ воспроизведения некоторых высокоорганизованных химических функций клеток внутри синтетических наноматериалов.

Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society. Исследование возглавил профессор Ли Кань из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с командой профессора Цзянь Лю из Университета Внутренней Монголии.

Воссоздание клеточной химии в наномасштабе

Живые клетки выполняют сложные биохимические реакции с исключительной эффективностью и точностью. Они достигают этого, организуя различные компоненты в строго контролируемых пространствах, где молекулы могут перемещаться, взаимодействовать и вступать в реакции в тщательно регулируемых условиях.

Сейчас ученые пытаются применить те же принципы к инженерным наноматериалам. Эта область, известная как наноклеточная инженерия, стремится создавать клеткоподобные структуры со специализированными поверхностями и внутренними порами или полостями. Такие синтетические системы, часто называемые нанореакторами, объединяют идеи клеточной биологии и нанотехнологий.

Две особенности, вдохновленные клетками

Новый нанореактор содержит два основных биомиметических элемента.

Первый — динамическая редокс-пара катехол/о-бензохинон, расположенная в оболочке из полидопамина. Вместо того чтобы работать как активный протонный насос, эта химическая пара служит протонным реле. Многократно принимая и высвобождая протоны, она ускоряет сопряженный перенос электронов и протонов (PCET) — процесс, в котором движение протонов и электронов тесно связано.

Вторая особенность — компартментализованная структура нанореактора. Наноразмерная полость окружена пористой оболочкой, образуя замкнутую среду, где могут накапливаться реагенты. Такая архитектура также поддерживает молекулярную диффузию и улавливает входящие фотоны, помогая световым реакциям протекать более эффективно.

Улучшение фотосинтеза перекиси водорода

Вместе эти особенности помогают сбалансировать различные скорости реакций восстановления кислорода и окисления воды — двух полуреакций, которые должны работать совместно при производстве перекиси водорода.

При освещении видимым светом в водном растворе нанореактор достиг скорости фотосинтеза H2O2 3,24 ммоль гкат.-1 ч-1. Он также достиг эффективности преобразования солнечной энергии в химическую на уровне 1,2%.

Чтобы определить, как работает система, исследователи объединили спектроскопию in situ, фотохимический анализ, конечно-элементное моделирование и теоретические расчеты. Эти методы позволили им наблюдать процессы, вдохновленные клетками, и прояснить фотокаталитический механизм на основе Z-схемного гетероперехода, ответственный за реакцию.

Перерабатываемая система на солнечной энергии

Исследователи также встроили нанореакторы в экологически безопасный матрикс из альгината натрия. В результате получились твердые перерабатываемые фотокатализаторы, которые могли непрерывно синтезировать H2O2 под естественным солнечным светом, сохраняя стабильную производительность.

«Наше исследование предлагает новую стратегию для создания биомиметических нанореакторов, которые все больше воспроизводят сложные функции живых клеток, открывая новые возможности в искусственном фотосинтезе, энергетическом катализе и синтетической химии», — сказал профессор Ли.

Источники:

Материалы предоставлены Даляньским институтом химической физики Китайской академии наук.

Haitao Li, Mengyuan Ji, Jinlu He, Dehui Deng, Jincai Zhao, Jian Liu, Can Li. Biomimetic Redox-Mediated Proton Relay in Nanoreactors for Photocatalysis. Journal of the American Chemical Society, 2026; DOI: 10.1021/jacs.6c08170