炭素を生成する可能性がある

香港大学

画像: 人工球状発色団ナノミセル システムの構造とそのメカニズムの研究。画像は Nature Cataracy、2023、doi:10.1038/s41929-023-00962-z から引用もっと見る

クレジット: 香港大学

太陽エネルギーをカーボンニュートラル燃料に変換することは、化石燃料への依存を減らし、気候変動と戦うための有望なアプローチです。 自然界の例を挙げると、植物やその他の光合成生物は太陽光を利用して、葉緑体と呼ばれる特殊な構造内で起こる複雑な生化学プロセスを通じて、水と二酸化炭素（CO2）からエネルギー豊富な化合物を生成します。 しかし、この自然プロセスの効率は、太陽光を有用なエネルギーに変換する際の反射効率が低い代謝経路によって制限されます。 人工光触媒サイクルはより高い固有効率を実証していますが、通常、水やプロトンによる触媒の劣化を防ぐために純粋または高濃度の CO2 および有機媒体に依存しています。

香港大学 (HKU) 化学科の David Lee PHILLIPS 教授、江蘇大学の Lili DU 教授 (HKU PhD 卒業生)、香港城市大学の Ruquan YE 教授、および香港の Jia TIAN 教授が率いる研究チーム上海有機化学研究所は、光触媒プロセスに光エネルギーを効果的に利用できる、優れた環境に優しいシステムを開発しました。 この人工システムは安定性が高く、リサイクル可能であり、貴金属に依存しないため、より経済的に実行可能で持続可能です。 研究結果は最近、トップ科学誌 Nature Catalysis にオンライン掲載されました。

背景と実績自然界では、生物は「階層的自己集合」と呼ばれるプロセスを使用して光の収集を最適化します。 そのプロセス中に、脂質またはタンパク質ベースの足場によって提供される調整された環境内で光触媒成分を組織します。 高い安定性、選択性、効率を達成することで、光合成は高い表面積と、自己集合による発色団分子と触媒中心の正確な空間制御に依存しており、これが高効率の人工光触媒システムの設計原理を提供します。

最近の研究では、天然脂質または合成界面活性剤と光触媒種との共集合によって形成される小胞およびミセルの使用が実証されています。 これらの構造はマイクロリアクターとして機能し、細胞膜の環境を模倣します。 しかし、天然の光を集める超複合体を合成経路で複製することは実装が難しく、費用対効果も程よくありません。

現在の取り組みと課題を十分に認識し、HKU チームとその共同研究者は、土壌や土壌によく見られる細菌の一種であるロドバクター スフェロイデスの光合成装置にヒントを得て、水中で自己組織化する人工球状発色団ナノミセル システムを設計しました。淡水は「球状集光発色団」と呼ばれる特殊な構造を持っています。 この構造は光センサーとして機能し、発色団の表面上の特定の分子の円形配置によって生み出される「球状アンテナ効果」と呼ばれる独特の効果を介して太陽光からエネルギーを効率的に伝達する驚くべき能力を備えています。 これにより、細菌は太陽光を捕らえ、エネルギー需要に効果的に利用できるようになります。

この人工システムは、細菌の球状の集光発色団を模倣しており、水溶液中で自己集合するナノミセルと呼ばれる小さな球状構造で構成されています。 これらのナノミセルは、システムの構成要素として機能します。 このシステムは、「アラミドリンカー強化亜鉛ポルフィリン両親媒性物質」として知られる修飾分子と光吸収化合物を利用しており、静電気力を通じてコバルト触媒と相互作用し、独特の階層集合体を形成する。 したがって、このアセンブリは「球状アンテナ効果」によって引き起こされ、光触媒プロセスのためのエネルギーを捕捉して点灯するシステムを強化します。

このシステムの階層的自己組織化は、高価な貴金属ではなく安価で地球に豊富に存在する元素に基づいて、高い安定性と効率を備えた正確に制御された人工光触媒システムを作成するための有望なボトムアップ戦略を提供します。

デビッド・フィリップス教授は、「私たちの研究は、自然の効率的な集光メカニズムを再現することにより、再生可能エネルギーを進歩させる可能性を秘めています。これは、私たちのエネルギー需要とカーボンニュートラル燃料の生産に対する持続可能な解決策につながり、より環境に優しい未来に貢献する可能性があります。」と述べました。

リリ・ドゥ教授は、「自己組織化人工システムは、太陽エネルギー変換の可能性を最大限に引き出すための重要な一歩です。光触媒の効率と安定性を改善することで限界を克服し、よりクリーンで持続可能なエネルギー環境を作り出すことができます。この研究は有望な実用化をもたらします」と述べた。燃料生産、二酸化炭素回収、環境修復において。」

デビッド・リー・フィリップス教授について デビッド・リー・フィリップス教授は、香港大学化学科の主席教授です。 国際的に認められた化学者として、彼は時間分解分光実験と量子力学計算を使用して、化学、生物学、環境における関心のある化学反応における短寿命中間体を研究しています。 彼は、Science Citation Index に掲載されている国際的に査読済みの科学雑誌論文を 400 以上発表しています。 彼はジャーナル Molecules の編集諮問委員会のメンバーであり、Journal of Physical Organic Chemistry の諮問委員会のメンバーでもあります。 フィリップス教授は、アイオワ州立大学で学士号を取得し、カリフォルニア大学アーバイン校で博士号を取得しました。 彼の研究グループの詳細: https://sites.google.com/view/dlplab/home?pli=1

研究チームについて上海有機化学研究所のJia Tian教授、江蘇大学のLili Du教授、香港大学のDavid Lee Phillips教授、香港城市大学のRuquan Ye助教授が共同責任著者です。 Tian 教授グループの Junlai Yu 氏と Libei Huang 氏が共同筆頭著者です。 ビクトリア大学の Ian Manners 教授およびその他の研究者 (Qingxuan Tang、Shang-Bo Yu、Qiao-Yan Qi、Jiangshan Zhang、Danying Ma、Yifei Lei、Jianjun Su、Yun Song、Jean-Charles Eloi、Robert L. Harniman を含む) 、上海有機化学研究所およびビクトリア大学の Ufuk Borucu、Long Zhang、Minghui Zhu、Feng Tian）がこのプロジェクトに貢献しています。

雑誌のタイトル:「Artificial spherical chromatophore nanomicelles for selective CO2減らす in Water」(Nature Catalysis、2023)雑誌の論文はここからアクセスできます: https://www.nature.com/articles/s41929-023-00962-z#citeasImageダウンロードとキャプション: https://www.scifac.hku.hk/press メディアに関するお問い合わせは、対外関係責任者の Casey To 氏 (電話: 3917-4948、電子メール: [email protected]) およびアシスタントの Cindy Chan 氏までご連絡ください。理学部コミュニケーションディレクター (電話: 3917- 5286; 電子メール: [email protected])。

自然触媒作用

10.1038/s41929-023-00962-z

実験研究

適用できない

水中の選択的CO2削減のための人工球状発色団ナノミセル

2023 年 5 月 18 日

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