Een nanoreactor die chloroplasten nabootst voor verbeterde CO₂-elektrokatalyse

Chloroplast, een organel met dubbele membraanbinding, is de belangrijkste plaats voor CO₂ fixatie via fotosynthese in groene planten. De dubbelmembraanconfiguratie kan het transport van stoffen in en uit de chloroplasten reguleren met behulp van functionele eenheden zoals lipidedubbellaag en transmembraaneiwitten.

Geïnspireerd door de ingenieuze structuur en functionaliteit van chloroplasten, rapporteerden professor Xu Zong van de Dalian Maritime University, professor Chenghua Sun van de Swinburne University of Technology en professor Lianzhou Wang van de University of Queensland onlangs de bouw van een katalytische nanoreactor die in staat is om zeer selectieve en efficiënte reductie van CO te bereiken.₂ aan CO door chloroplasten in groene planten na te bootsen.

Dit werk verschijnt in Wetenschappelijk Bulletin als een korte mededeling getiteld “Chloroplast-nabootsende nanoreactor voor verbeterde CO₂ elektrokatalyse.”

In deze studie wordt de chloroplast-nabootsende nanoreactor (CMNR) eenvoudig verkregen door de zelfassemblage van een cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) dubbellaag op het oppervlak van een gouden nanostaaf (GNR) elektrokatalysator om een ​​kern-schilstructuur te vormen.

De structuur en rangschikking van CTAB-moleculen op het oppervlak van GNR werden onderzocht met behulp van experimentele en theoretische technieken, zoals high-angle annular darkfield scanning transmission atom imaging, hoekopgeloste röntgenfoto-elektronenspectroscopie en density functional theory (DFT). Ook werd de dubbellaagse rangschikking van CTAB-moleculen op het oppervlak van GNR ontdekt.

Bovendien hebben uitgebreide theoretische en experimentele onderzoeken aangetoond dat de gepolariseerde -N(CH₃)₃ eenheid van CTAB kan effectief CO afvangen₂ uit oplossing, en de organische kanalen gevormd door de hydrofobe organische ketens bevorderden de diffusie van CO₂ naar GNR. Daarom kan de CTAB-dubbellaag het chloroplastmembraan nabootsen om zeer selectief transport van CO mogelijk te maken₂ moleculen in plaats van protonen naar GNR.

Bovendien hebben röntgenfoto-elektronenspectroscopie en in-situ elektrochemische infraroodspectroscopie aangetoond dat broomionen de gedeeltelijke oxidatie van de GNR bevorderen, wat het COOH*-tussenproduct voor CO effectief zal stabiliseren.₂ elektroreductie en verder bevorderen van de CO₂ elektroreductieprestaties.

Samenvattend presenteerden de auteurs de oprichting van een chloroplast-nabootsende nanoreactor door het oppervlak van een GNR-elektrokatalysator te modificeren met een zelfgeassembleerde CTAB-dubbellaag. De CTAB-dubbellaag bootst het chloroplastmembraan na om de gelijktijdige regulatie van het transport van CO mogelijk te maken₂ en protonen naar de GNR-kern, en de GNR-kern imiteert Rubisco-enzymen om CO te katalyseren₂ reductiereactie.

Overeenkomstig is de selectiviteit van CO₂ reductie tot CO is sterk verbeterd. Dit werk presenteert een nieuw biomimetisch ontwerp om de uitdagingen aan te pakken die gepaard gaan met de CO₂ reductiereactie, die toepasbaar zou kunnen zijn op een breed scala aan elektrokatalytische reacties zoals zuurstofreductiereactie en stikstofreductiereactie.