Các nhà nghiên cứu do Giáo sư Tian Jia từ Viện Hóa học Hữu cơ Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát triển một chiến lược mới để chuyển đổi carbon dioxide (CO 2 ) chọn lọc do ánh sáng khả kiến gây ra bằng cách bắt chước các nguyên tố chính và cấu trúc lắp ráp của quang hợp tự nhiên tế bào sắc tố màu tím của vi khuẩn thông qua quá trình tự lắp ráp siêu phân tử.
Công trình này cung cấp những hiểu biết mới để mô phỏng chính xác cấu trúc và chức năng sinh học của các tổ hợp siêu phân tử và chuyển đổi năng lượng cho quá trình quang hợp nhân tạo , đã được công bố trên tạp chí Nature Catalysis vào ngày 18 tháng 5.
Quang hợp là nguồn năng lượng và chất hữu cơ cuối cùng cho gần như tất cả các sinh vật sống. Trong tự nhiên, các bào quan quang hợp khai thác bức xạ mặt trời để tạo ra các hợp chất giàu năng lượng từ nước và CO 2 trong khí quyển thông qua các tổ hợp siêu phân tử tinh tế.
Mặc dù các chu trình xúc tác quang nhân tạo đã được chứng minh là hoạt động với hiệu suất nội tại cao hơn, nhưng tính chọn lọc thấp và độ ổn định trong nước để khử CO 2 đa electron cản trở các ứng dụng thực tế của chúng. Việc tạo ra các hệ thống xúc tác quang nhân tạo tương thích với nước bắt chước bộ máy quang hợp tự nhiên để sản xuất nhiên liệu năng lượng mặt trời có chọn lọc và hiệu quả là một thách thức lớn.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp lắp ráp siêu phân tử để tạo ra một hệ thống nanomicelle tế bào sắc tố quang hợp nhân tạo dựa trên cấu trúc của vi khuẩn tím quang hợp tự nhiên. Hệ thống đã được áp dụng để chuyển đổi xúc tác CO 2 chọn lọc trong nước dưới bức xạ ánh sáng khả kiến và cho thấy tính ổn định và hiệu quả tuyệt vời.
Nhóm đã đề xuất một giải pháp đầy hứa hẹn để chuyển đổi và lưu trữ năng lượng thông qua các con đường "chu trình không carbon", đây là một cách hiệu quả để giảm bớt khủng hoảng năng lượng và giảm lượng khí thải carbon .
Hưởng lợi từ sự tồn tại của các liên kết hydro liên phân tử, các hạt nano hình cầu được lắp ráp từ các siêu phân tử dựa trên porphyrin ba khối lưỡng tính cực kỳ ổn định trong pha nước. Là một tế bào sắc tố, các nanomicelle thể hiện hiệu ứng ăng-ten thu ánh sáng rõ ràng và khả năng chống lại quá trình tẩy trắng mạnh.
Hơn nữa, các mảng porphyrin giống như vòng điện di có đường kính 4,2nm đã được quan sát trên bề mặt của chúng và mỗi cấu trúc phụ bao gồm ca. 12 porphyrin theo tính toán.
Với mục đích phun electron hiệu quả, chất xúc tác carbon monoxide có độ âm điện được chọn làm chất xúc tác lý tưởng vì khoảng cách không gian giữa chất xúc tác và mảng porphyrin dạng vòng được kéo lại gần hơn bằng lực tĩnh điện. Dưới sự chiếu xạ của ánh sáng khả kiến, hệ xúc tác quang nhân tạo đã thực hiện được quá trình chuyển hóa CO 2 thành metan với hiệu suất và độ chọn lọc cao.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một cơ chế hai giai đoạn trong đó carbon monoxide được coi là loài trung gian, điều này đã được chứng minh thêm bằng thí nghiệm đánh dấu đồng vị, phổ hấp thụ nhất thời và trạng thái ổn định và tính toán lý thuyết chức năng mật độ.
