Рациональный дизайн каркасных материалов, включающий фотосенсибилизаторы и катализаторы, приводит к высокоэффективным и многоразовым фотокатализаторам для искусственного фотосинтеза и органических превращений, что обещает привести к более эффективным и устойчивым химическим процессам. Кредит: Carbon Future, Tsinghua University Press
Цель устойчивой химии побудила химиков использовать возобновляемую энергию в химических реакциях, минимизируя опасные отходы и максимизируя атомную экономию. Природа дает чертеж с фотосинтезом, в котором углеводы производятся из углекислого газа и воды под воздействием солнечного света.
Однако, полагаясь на сложную систему, включающую множество ферментов и светособирающих антенн, этот процесс имеет изначально низкую эффективность преобразования солнечной энергии. Искусственные фотосинтетические системы являются давним научным занятием и предлагают потенциальные решения для устойчивой химии.
Группа из Чикагского университета под руководством профессора Вэньбиня Лина работала над разработкой искусственных фотокаталитических систем с использованием каркасных материалов — класса пористых материалов, образованных периодическим связыванием металлических и органических строительных блоков.
Используя передовые методы для характеристики этих материалов, исследователи получили глубокое понимание того, как такие искусственные системы функционируют на молекулярном уровне. Эти знания позволили им точно настроить материалы для различных реакций, управляемых светом.
В мини-обзоре, опубликованном в Carbon Future 13 сентября 2024 года, исследователи подвели итог своим последним достижениям в области искусственного фотосинтеза и фотокатализа, чтобы выделить ключевые достижения и будущие возможности.
«Природа выполняет точную химию в организмах, чтобы создавать сложные молекулы, часто жертвуя эффективностью», — сказал профессор Вэньбинь Линь.
«Нам нужно превзойти природу, чтобы справиться с проблемами, с которыми мы сталкиваемся сегодня, и, к счастью, с точным контролем над структурами и составами каркасных материалов мы разработали искусственные системы, которые значительно превосходят свои гомогенные аналоги».
Обзор иллюстрирует, как химические модификации каркасных материалов могут точно настраивать их характеристики в реакциях, подобных фотосинтезу.
Для достижения этих целей команда определила основные компоненты и проверила их роль. Фотосенсибилизаторы, такие как хлорофиллы, поглощают энергию света. Катализаторы, такие как ферменты, используют эту энергию для управления химическими реакциями. Эти фотосенсибилизаторы и катализаторы с тщательно подобранной энергией и кинетикой переноса электронов были включены в каркасные материалы.
«Включение правильных фотосенсибилизаторов и катализаторов в каркасные материалы может улучшить их характеристики более чем на порядок по сравнению с простыми смесями фотосенсибилизаторов и катализаторов в растворах», — пояснил Лин.
Команда продемонстрировала значительные улучшения в дюжине типов фотокаталитических реакций с использованием этих материалов. Улучшение происходит из-за эффекта «предорганизации», также обнаруженного в природных системах, где фотосенсибилизаторы и катализаторы располагаются в определенных положениях для ускорения химических реакций.
Материалы каркаса легко извлекаются из реакционных смесей центрифугированием или фильтрацией. Извлеченные материалы используются в последующих реакциях без потери каталитической активности. В одном примере материал каркаса использовался в восьми циклах однореакторного синтеза кардиотонического средства без ухудшения каталитических характеристик.
«Мы считаем, что этот прорыв имеет большой потенциал для устойчивого синтеза фармацевтических препаратов и других продуктов с добавленной стоимостью, и эти исследовательские усилия будут способствовать более устойчивому будущему», — сказал Линь.
«Принципы, которые мы здесь изучили, могут быть применены ко многим другим системам». Команда надеется, что их обзор вдохновит других исследователей на рациональный дизайн других каталитических материалов на молекулярном уровне.
Первым автором был Инцзе Фань (доктор философии 24 года, в настоящее время научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли).
Дополнительная информация: Инцзе Фань и др., Рациональный дизайн многофункциональных каркасных материалов для устойчивого фотокатализа, Carbon Future (2024). DOI: 10.26599/CF.2024.9200018
Предоставлено издательством Tsinghua University Press
