Inspireret af fotosyntese, forskere dobbeltreaktion kvanteeffektivitet

Ud fra inspiration fra fotosyntese og den måde, hvorpå den kan opnå høj effektivitet i planter, Regents Professorer Tom Moore og Ana Moore ved Arizona State University's School of Molecular Sciences og deres grupper, sammen med kolleger fra Institut for Kemi ved Princeton University (herunder professorerne Gregory Scholes og Robert Knowles), har introduceret en bioinspireret katalysator, der forlænger den produktive tilstand af nogle kemiske reaktioner.

"At arbejde med Princeton -grupper af Knowles og Scholes har givet os nye perspektiver og applikationer til vores bioinspirerede, kunstige fotosyntetiske systemer, "Sagde Ana Moore. Regenter Professorer Ana og Thomas Moore fra School of Molecular Sciences på ASU. Billedkredit:Mary Zhu Download fuldt billede

"I dette tilfælde, vi har genudviklet en fotokatalysator, der er vigtig i den kemiske industri, ved hjælp af princippet om protonkoblet elektronoverførsel (PCET) for at give forbedret katalytisk effektivitet.

"PCET er meget udbredt i naturens katalysatorer, hvor lavenergireaktionsreaktioner, der giver et enkelt produkt, er afgørende. Det er givende at finde en praktisk anvendelse til de PCET -konstruktioner, som vi for nylig har udviklet. Forbedring af den katalytiske effektivitet af reaktioner, der resulterer i forbindelser med specifikke farmakologisk aktivitet kunne bidrage til en mere bæredygtig udvikling af en grønnere kemisk industri. "

Teamet anvendte PCET til at manipulere fotokatalysatoren for at bremse opladningskombination, hovedsageligt efterligne den proces, der holder fotosyntesen nynne med.

Deres mekanisme stopper et elementært trin i processen med en faktor 24 i forhold til en referenceforbindelse. PCET er en klasse af reaktioner, der involverer overførsel af en elektron og en proton.

Kernen i denne kollaborative forskning er en kemisk model, en PCET -understruktur, udviklet af forskerne her på ASU. Modellen er forbundet med et iridiumkompleks, der effektivt reducerer drivkraften til rekombination af ladninger, dermed forlænges den aktive tilstand, hvor kemi kan finde sted.

Modellen er baseret på det ilt-udviklende kompleks i fotosyntesen, der er i hver plante, enzymet, der laver ilt til hele verden. Der er to aminosyrer i nærheden af ​​det oxygenudviklende kompleks-hydrogenbundet tyrosin og histidin-og disse to aminosyrer sender elektroner væk fra det oxygenudviklende kompleks, ved en PCET -mekanisme, så enzymet er i stand til at producere ilt.

Moores og kolleger har lavet denne model, benzimidazol-phenol (BIP), der ligner kemisk meget de to aminosyrer i fotosyntesen. Dette bruges derefter til at styre retningen af ​​elektronoverførsel i katalyse.

Papiret, "PCET-baserede Ligand begrænser opladningskombination med en Ir (III) Photoredox-katalysator, "blev netop offentliggjort i Journal of the American Chemical Society .

Forskningen kombinerer bidrag til mekanismerne for fotokatalyse fra Knowles -laboratoriet, ultrahurtig tidsopløst spektroskopi fra Scholes-laboratoriet, og BIP -modellen fra laboratorierne til Thomas Moore og Ana Moore.

Energy Frontier Research Center

Forskningen opfylder en af ​​topprioriteterne for gruppen Princeton-baserede Bioinspired Light-Escalated Chemistry (BioLEC), et Energy Frontier Research Center oprettet i 2018 og finansieret af Department of Energy. BioLEC er instrueret af Scholes, Princetons William S. Todd Professor i kemi og formand for afdelingen.

"Dette skete absolut på grund af centeret. Rob, Tom og Ana var de intellektuelle drivere af denne idé, "Sagde Scholes." Her, vi tilføjede et ekstra 'kredsløb' til den molekylære fotokatalysator, der undertrykte deaktiveringsvejen. Vores kredsløb fungerer som en slags buffer, at holde arten med høj energi på plads, indtil katalysatoren kan starte den kemiske reaktion. Jeg synes, det er en stor succeshistorie. "

"At arbejde med Rob og Greg og centerstuderende og postdocs har vist sig at være endnu mere spændende og givende, end vi håbede på, da ideen først blev formuleret til BioLEC -forslaget, "sagde Moores.

I naturen, fotosyntese opstår, når en plante absorberer lys, der genererer en ladningsseparation i sit "reaktionscenter". Denne reaktion driver både oxidation af vand og fiksering af kuldioxid til brændstoffer, der bruges af anlægget. Opladningsrekombination kortslutter hovedsageligt den fotosyntetiske proces. Så, naturen har udviklet måder at opretholde denne adskillelse ved hjælp af såkaldte redox-relæer.

Forskere brugte netop disse redox-relæer i deres undersøgelse som de væsentlige komponenter i en række korte afstande, hurtige redox-ækvivalente overførselstrin, der effektivt konkurrerer mod rekombination af ladninger.

Evolutionære processer valgte disse redox-relæer, hvor gennem overførsel af en elektron og en proton mellem to hydrogenbundne aminosyrer, det kan gøre virkelig hurtige overførsler, der yderligere adskiller afgifterne.

Ved hurtigt at flytte afgifterne længere fra hinanden, du forhindrer den rekombination af ladningen. Det fører til effektiviteten af ​​fotosyntese. Forskerne gjorde brug af den idé.

Strukturen af ​​BIP -modellen udviklet af Moores ligner de to aminosyrer.

"Helt sikkert, undersøgelser i Scholes 'laboratorium af den genudviklede katalysator med BIP viste længere levetid for det reaktive radikale mellemprodukt og - her er beviset i budding - udbyttet af reaktionen var mere end fordoblet, "Sagde Tom Moore." Naturen bruger PCET i katalyse, og Moder Natur ved noget om effektivitet, bæredygtig kemi. "