Нанореактор, имитирующий хлоропласт, для улучшенного электрохимического катализа CO₂

Хлоропласт — это органелл с двойной мембраной, являющийся основным местом фиксации CO₂ в процессе фотосинтеза у зелёных растений. Конфигурация двойной мембраны регулирует транспорт веществ внутрь и наружу с помощью таких функциональных единиц, как липидный бислой и трансмембранные белки.

Вдохновившись этой структурой, группа учёных под руководством профессоров Сюй Цзуна, Чэнхуа Суна и Ляньчжоу Вана создала каталитический нанореактор, способный эффективно и селективно восстанавливать CO₂ до CO, имитируя хлоропласты. Работа опубликована в Science Bulletin.

Конструкция нанореактора

Хлоропласт-имитирующий нанореактор (CMNR) был легко получен путём самосборки бислоя бромида цетилтриметиламмония (CTAB) на поверхности золотого наностержня (GNR), формируя структуру «ядро-оболочка».

Структура и функция оболочки

Экспериментальные и теоретические методы (просвечивающая электронная микроскопия, УФ-фотоэлектронная спектроскопия, теория функционала плотности) подтвердили формирование бислоя CTAB на поверхности GNR. Исследования показали, что поляризованная группа -N(CH₃)₃ в CTAB эффективно захватывает CO₂ из раствора, а гидрофобные органические цепи образуют каналы, способствующие диффузии CO₂ к поверхности GNR. Таким образом, бислой CTAB имитирует мембрану хлоропласта, обеспечивая селективный транспорт молекул CO₂ (но не протонов) к каталитическому ядру.

Роль ядра и промотора

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и in situ электрохимическая ИК-спектроскопия показали, что ионы брома способствуют частичному окислению поверхности GNR. Это эффективно стабилизирует промежуточный продукт COOH* в реакции электрохимического восстановления CO₂, что дополнительно повышает её эффективность.

Итог и значение

Авторы представили нанореактор, где бислой CTAB имитирует мембрану хлоропласта, регулируя транспорт CO₂ и протонов, а ядро из GNR имитирует фермент Rubisco, катализируя реакцию восстановления. Это привело к значительному увеличению селективности восстановления CO₂ до CO. Данная биомиметическая конструкция предлагает новый подход к решению проблем в реакциях электрохимического восстановления CO₂ и может быть применима к другим процессам, таким как восстановление кислорода или азота.