Potencialmente productor de carbono

la universidad de hong kong

imagen: Estructura del sistema de nanomicelles del cromatóforo esférico artificial y estudio de su mecanismo. Imagen adaptada de Nature Catalysis, 2023, doi:10.1038/s41929-023-00962-zver más

Crédito: Universidad de Hong Kong

Convertir la energía solar en combustibles neutros en carbono es un enfoque prometedor para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y combatir el cambio climático. Tomando ejemplos de la naturaleza, las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan la luz solar para crear compuestos ricos en energía a partir del agua y el dióxido de carbono (CO2) a través de un proceso bioquímico complejo que tiene lugar dentro de estructuras especializadas llamadas cloroplastos. Sin embargo, la eficiencia de este proceso natural está limitada por vías metabólicas que tienen una efectividad reflexivamente baja para convertir la luz solar en energía útil. Si bien los ciclos fotocatalíticos artificiales han demostrado eficiencias intrínsecas más altas, generalmente se basan en CO2 puro o altamente concentrado y medios orgánicos para evitar la degradación del catalizador causada por el agua o los protones.

Equipos de investigación dirigidos por el profesor David Lee PHILLIPS del Departamento de Química de la Universidad de Hong Kong (HKU), la profesora Lili DU en la Universidad de Jiangsu (HKU PhD Alumna), el profesor Ruquan YE en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y el profesor Jia TIAN en el Instituto de Química Orgánica de Shanghái ha desarrollado un sistema extraordinario y respetuoso con el medio ambiente que puede aprovechar de forma eficaz la energía de la luz para el proceso fotocatalítico. Este sistema artificial es altamente estable y reciclable, y no depende de metales preciosos, lo que lo hace económicamente más viable y sostenible. Los hallazgos de la investigación se publicaron recientemente en línea en la principal revista científica Nature Catalysis.

Antecedentes y logros En la naturaleza, los organismos utilizan un proceso llamado "autoensamblaje jerárquico" para optimizar la captación de luz. Durante el proceso, organizan los componentes fotocatalíticos dentro de un entorno personalizado proporcionado por andamios basados ​​en lípidos o proteínas. Al lograr una alta estabilidad, selectividad y eficiencia, la fotosíntesis se basa en la gran superficie y el control espacial preciso de las moléculas cromóforas y los centros catalíticos a través del autoensamblaje, lo que ofrece un principio de diseño para sistemas fotocatalíticos artificiales altamente eficientes.

Estudios recientes han demostrado el uso de vesículas y micelas formadas por coensamblaje de lípidos naturales o tensioactivos sintéticos con especies fotocatalíticas. Estas estructuras actúan como microrreactores, imitando el entorno de las membranas celulares. Sin embargo, replicar los supercomplejos captadores de luz natural a través de vías sintéticas es difícil de implementar y está lejos de ser rentable.

Con pleno aprecio por los esfuerzos y desafíos actuales, el equipo de HKU y sus colaboradores han diseñado un sistema de nanomicelas de cromatóforos esféricos artificiales autoensamblados en agua inspirado en el aparato fotosintético de Rhodobacter sphaeroides, un tipo de bacteria que se encuentra comúnmente en el suelo y agua dulce, que tiene una estructura especial llamada 'cromatóforo captador de luz esférico'. Esta estructura actúa como un sensor de luz y posee una notable capacidad para transferir eficientemente la energía de la luz solar a través de un efecto único llamado "efecto de antena esférica", creado por disposiciones circulares de moléculas específicas en la superficie del cromatóforo. Esto permite que las bacterias capturen y utilicen la luz solar de manera efectiva para sus necesidades energéticas.

Este sistema artificial imita el cromatóforo esférico de recolección de luz de la bacteria y consiste en diminutas estructuras esféricas llamadas nanomicelles que se autoensamblan en soluciones acuosas. Estas nanomicelas sirven como bloques de construcción del sistema. El sistema utiliza moléculas modificadas y compuestos que absorben la luz conocidos como "anfífilos de porfirina de Zn mejorados con enlazador de aramida", que interactúan con un catalizador de Co a través de fuerzas electrostáticas, lo que lleva a un ensamblaje jerárquico único. Por lo tanto, este ensamblaje es inducido por el 'efecto de antena esférica' y mejora el sistema para capturar y liberar energía para los procesos fotocatalíticos.

El autoensamblaje jerárquico del sistema ofrece una estrategia ascendente prometedora para crear un sistema fotocatalítico artificial controlado con precisión con alta estabilidad y eficiencia basado en elementos baratos y abundantes en la Tierra en lugar de metales preciosos caros.

El profesor David Phillips dijo: "Nuestra investigación tiene el potencial de promover la energía renovable al replicar los mecanismos eficientes de recolección de luz de la naturaleza. Esto podría conducir a soluciones sostenibles para nuestras necesidades energéticas y la producción de combustibles neutros en carbono, contribuyendo a un futuro más verde".

La profesora Lili Du dijo: "El sistema artificial autoensamblado es un paso importante para desbloquear todo el potencial de la conversión de energía solar. Mejorar la eficiencia y la estabilidad fotocatalíticas puede superar las limitaciones y crear un panorama energético más limpio y sostenible. Esta investigación ofrece aplicaciones prácticas prometedoras. en la producción de combustible, la captura de carbono y la remediación ambiental".

Acerca del profesor David Lee PhillipsEl profesor David Lee Phillips es profesor titular en el Departamento de Química de HKU. Como químico reconocido internacionalmente, utiliza experimentos de espectroscopia de resolución temporal y cálculos mecánicos cuánticos para estudiar los intermedios de vida corta en reacciones químicas de interés en química, biología y medio ambiente. Ha publicado más de 400 artículos de revistas científicas arbitradas internacionalmente que figuran en Science Citation Index. Es miembro del Consejo Asesor Editorial de la revista Molecules y también del Consejo Asesor de la Revista de Química Orgánica Física. El profesor Phillips se graduó con una licenciatura de la Universidad Estatal de Iowa y con un doctorado de la Universidad de California, Irvine. Más información sobre su grupo de investigación: https://sites.google.com/view/dlplab/home?pli=1

Acerca del equipo de investigación El profesor Jia Tian del Instituto de Química Orgánica de Shanghái, la profesora Lili Du de la Universidad de Jiangsu, el profesor David Lee Phillips de la Universidad de Hong Kong y el profesor asistente Ruquan Ye de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong son los coautores correspondientes. El Sr. Junlai Yu y Libei Huang del Grupo del Profesor Tian son los coautores. El profesor Ian Manners de la Universidad de Victoria y otros investigadores (incluidos Qingxuan Tang, Shang-Bo Yu, Qiao-Yan Qi, Jiangshan Zhang, Danying Ma, Yifei Lei, Jianjun Su, Yun Song, Jean-Charles Eloi, Robert L. Harniman , Ufuk Borucu, Long Zhang, Minghui Zhu, Feng Tian) del Instituto de Química Orgánica de Shanghai y la Universidad de Victoria contribuyen a este proyecto.

Título de la revista: 'Nanomicelles de cromatóforos esféricos artificiales para la reducción selectiva de CO2 en el agua' (Nature Catalysis, 2023) Se puede acceder al artículo de la revista aquí: https://www.nature.com/articles/s41929-023-00962-z#citeasImage descarga y título: https://www.scifac.hku.hk/pressPara consultas de los medios, comuníquese con la Sra. Casey To, Oficial de Relaciones Externas (Tel: 3917-4948; correo electrónico: [email protected]) y la Sra. Cindy Chan, Asistente Director de Comunicaciones de la Facultad de Ciencias (Tel: 3917- 5286; correo electrónico: [email protected]).

Naturaleza Catálisis

10.1038/s41929-023-00962-z

Estudio experimental

No aplica

Nanomicelas de cromatóforos esféricos artificiales para la reducción selectiva de CO2 en agua

18-may-2023

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