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科技动态
点击: 2019-09-20

sp2-碳全共轭二维共价有机骨架---一种超高效人工光合系统I

在目前能源危机的严峻形势下,清洁、可再生的太阳能成为解决能源危机的有效手段。模仿自然光合作用的人工光合作用应运而生,即人工模拟自然光合作用以实现太阳能高效利用的诸多功能,如水裂解产氢、二氧化碳还原及辅酶再生。在自然光合作用过程中,光合系统(PSIIPSI)吸取光能产生光生电子并通过一系列蛋白复合物介导光生电子转移,随后由PSI将太阳能存储为化学货币,即NADP转化为其还原态NADPH(简称辅酶还原)。还原态辅酶NAD(P)H可用于各种生物反应并为其提供驱动力,如参与卡尔文循环固定二氧化碳制造碳水化合物,或驱动L-谷氨酸的合成。而在人工光合作用PSI系统中,优异的光催化材料至关重要。


二维共价有机骨架(2D COF)是一种晶态的多孔材料,具有结构可裁剪性和功能可调控性的显著特点,在气体吸附、催化、光电等领域已表现出潜在应用价值。尤其,如果能实现全sp2-碳共轭COF的制备,其电子离域能力和稳定性都将得到极大增强,并且这种全共轭的二维体系必将在光子吸取和光催化方面表现出巨大潜力,具有传统材料不可比拟的优势,并在人工光合作用中发挥优势。然而,利用不可逆的碳-碳双键(-C = C-)来制备COF非常困难,合成全sp2-碳共轭COF极具挑战。

最近,青岛科技大学赵英杰教授、李志波教授利用Knoevenagel缩合反应成功制备了基于三嗪结构的全共轭sp2-2D COF。高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)清楚地证实了其蜂巢状孔结构,孔径约为2 nmX射线粉末衍射(PXRD)与结构模拟共同揭示了其层状AA堆叠结构。研究团队发现该2D COF是一种优良的半导体材料,其LUMO-3.23 eV,带隙为2.36 eV。令人兴奋的是,由于其良好的结晶性和高共轭性,这种新型sp2-碳共轭COF表现出前所未有的辅酶再生效率,可以显著提高辅酶介导的L-谷氨酸的合成,仅需12分钟,便可突破性的实现97%的L-谷氨酸的产率,为辅酶高效再生提供了一个全新的材料和应用前景。

 


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