具有电子转移路径的金属化氮化碳选择性再生NADH和光酶偶联CO2还原

• Published in: 催化学报 Vol. 54; no. 11; pp. 188 - 198
• Main Authors: 张鹏业, 董文锦, 张媛媛, 赵立楠, 苑华磊, 王传军, 王文硕, 王含笑, 张洪禹, 刘健
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 青岛科技大学材料科学与工程学院,山东青岛 266042 2023; 中国科学院青岛生物能源与过程研究所,山东能源研究院,青岛新能源山东省实验室,山东青岛 266101%中国科学院青岛生物能源与过程研究所,山东能源研究院,青岛新能源山东省实验室,山东青岛 266101
• Subjects: NADH再生; Photoenzyme-coupled catalysis; 仿生金属化; 电荷转移; NADH regeneration; Bioinspired metalation; CO2还原; CO2 reduction; Charge transfer; 光酶偶联催化
• ISSN: 0253-9837
• DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64523-1

将CO2转化为燃料和化学品被认为是缓解能源危机的一种有效策略.受自然光合作用的启发,光酶偶联结合了光催化和酶催化的优点,在绿色生物制造中具有较好的应用前景.铑(Rh)络合物是选择性再生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(1,4-NADH)的关键介体,其固定化可以提高体系的可持续性,并有效缩短电子传递路径,因而受到广泛关注. 本文制备了联吡啶功能化的金属化氮化碳(PCNRhbpy4),用于光酶偶联催化CO2还原.首先以双氰胺为前驱体,通过两步退火法制备氮化碳(PCN),再与5,5'-二氨基-2,2'-联吡啶(DABP)进一步热缩合,然后锚定[Cp*RhCl2]2获得PCNRhbpy4,并通过透射电镜、扫描电镜、粉末X射线衍射、紫外可见光吸收光谱、瞬态表面光电压和荧光发射光谱等进行表征.结果表明,合成的PCNRhbpy4材料具有N-掺杂石墨烯结构,且通过残余的末端联吡啶结构均匀地固定了Rh络合物.以PCNRhbpy4作为光催化剂实现了1,4-NADH的100％选择性再生,并在20 min内实现了80％的NADH再生.进一步耦合固定在疏水膜上的甲酸脱氢酶,可以有效地将CO2还原为甲酸盐,48 h内甲酸盐浓度达到7 mmol L-1.此外,光催化剂的循环实验结果表明,PCNRhbpy4具有较高的稳定性.反应机理研究结果表明,光生电子经N-掺杂石墨烯传递到Rh活性位点,并结合溶液中的质子,随后氢负离子通过环滑移机制传递到NAD+,高选择性再生1,4-NADH. 综上,本文为Rh的固定化开辟了一条新路径,实现了光酶催化CO2还原,为光酶催化在绿色生物制造的实际应用提供参考.