Ein Chloroplasten-nachahmender Nanoreaktor zur verbesserten CO₂-Elektrokatalyse

Chloroplasten, ein von einer Doppelmembran umgebenes Organell, sind der Hauptort für die CO2-Fixierung durch Photosynthese in grünen Pflanzen. Die Doppelmembrankonfiguration kann den Transport von Substanzen in und aus den Chloroplasten mit Hilfe von Funktionseinheiten wie Lipiddoppelschichten und Transmembranproteinen regulieren.

Inspiriert von der raffinierten Struktur und Funktionsweise der Chloroplasten berichteten Professor Xu Zong von der Dalian Maritime University, Professor Chenghua Sun von der Swinburne University of Technology und Professor Lianzhou Wang von der University of Queensland kürzlich über die Konstruktion eines katalytischen Nanoreaktors, der durch Nachahmung der Chloroplasten grüner Pflanzen eine hochselektive und effiziente Reduktion von CO2 zu CO erreichen kann.

Dieses Werk erscheint In Wissenschafts-Bulletin als Kurzmitteilung mit dem Titel „Chloroplasten-nachahmender Nanoreaktor für eine verbesserte CO2-Elektrokatalyse.“

In dieser Studie wird der Chloroplasten-nachahmende Nanoreaktor (CMNR) einfach durch die Selbstorganisation einer Cetyltrimethylammoniumbromid-Doppelschicht (CTAB) auf der Oberfläche eines Gold-Nanostab-Elektrokatalysators (GNR) erhalten, um eine Kern-Schale-Struktur zu bilden.

Die Struktur und Anordnung der CTAB-Moleküle auf der Oberfläche von GNR wurden mithilfe experimenteller und theoretischer Techniken wie der Hochwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionsatombildgebung, der winkelaufgelösten Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und der Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht. Dabei wurde die zweischichtige Anordnung der CTAB-Moleküle auf der Oberfläche von GNR entdeckt.

Darüber hinaus zeigten umfangreiche theoretische und experimentelle Untersuchungen, dass die polarisierte -N(CH3)3-Einheit von CTAB CO2 effektiv aus Lösungen aufnehmen kann und die durch die hydrophoben organischen Ketten gebildeten organischen Kanäle die Diffusion von CO2 zum GNR fördern. Daher kann die CTAB-Doppelschicht die Chloroplastenmembran nachahmen, um einen hochselektiven Transport von CO2-Molekülen anstelle von Protonen zum GNR zu ermöglichen.

Darüber hinaus ergaben Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und elektrochemische Infrarotspektroskopie vor Ort, dass Bromionen die teilweise Oxidation des GNR fördern, wodurch das COOH*-Zwischenprodukt für die CO2-Elektroreduktion wirksam stabilisiert und die Leistung der CO2-Elektroreduktion weiter verbessert wird.

Zusammenfassend präsentierten die Autoren die Entwicklung eines Chloroplasten-ähnlichen Nanoreaktors durch Modifizierung der Oberfläche eines GNR-Elektrokatalysators mit einer selbstorganisierten CTAB-Doppelschicht. Die CTAB-Doppelschicht ahmt die Chloroplastenmembran nach, um die gleichzeitige Regulierung des Transports von CO2 und Protonen zum GNR-Kern zu ermöglichen, und der GNR-Kern imitiert Rubisco-Enzyme, um die CO2-Reduktionsreaktion zu katalysieren.

Dementsprechend wurde die Selektivität der CO2-Reduktion zu CO erheblich verbessert. Diese Arbeit präsentiert ein neues biomimetisches Design zur Bewältigung der Herausforderungen der CO2-Reduktionsreaktion, das auf eine breite Palette elektrokatalytischer Reaktionen wie die Sauerstoff- und Stickstoffreduktionsreaktion anwendbar sein könnte.