Nature?Catalysis：?人工光合作用效率實現數量級提升

一、導讀

在自然界中，光合作用是由具有高效率和高選擇性的酶參與的。酶依賴于由精確排列的金屬中心、氨基酸和輔助因子組成的活性位點來有效催化化學反應。雖然人類已經開發了一些人工系統來模擬酶的催化活性和選擇性，例如，金屬團簇，金屬和金屬氧化物納米粒子，超分子和聚合物和金屬-有機框架(MOFs)。然而，目前的人工酶設計主要是模仿酶的活性金屬中心，并未涉足二級配位或額外的輔助因子。因此，人工酶系統目前僅限于催化相對簡單的反應，缺乏普適的系統可調節性。需要一種通用方法來合理設計具有復雜但可調活性位點的人工酶，以解決各種挑戰性和有價值的化學轉化問題。

二、成果掠影

近日，美國芝加哥大學林文斌教授團隊報道了一種金屬有機骨架人工酶系統(金屬-有機-酶，MOZ)，該酶通過將活性金屬中心、近端氨基酸和其他輔助因子整合到一個可調諧的金屬-有機框架單層中來合成。研究者設計了兩個MOZs庫來進行光催化CO₂還原和水氧化反應。通過調整MOZs中包含的氨基酸，系統地優化了這些庫的活性和選擇性。將這些優化的MOZs組合成一個單一系統中，實現完全的人工光合作用反應。

相關成果以“Biomimetic active sites on monolayered metal–organic frameworks for artificial photosynthesis”為題發表在Nature?Catalysis上。

?????

三、核心創新點

• 報道了一種基于金屬-有機框架的人工酶，該酶在單個MOF單分子層上精確排列金屬中心、氨基酸和輔助因子，從而生成明確而復雜的活性位點；
• 設計與合成兩類MOZs庫：MOZ-4和MOZ-7，并分別用于光促二氧化碳還原反應和水氧化反應的催化活性篩選。MOZ-4和MOZ-7與Co(bpy)₃²⁺ (bpy, 2,2′-bipyridine)作為氧化還原介質的組合，實現了人工總光合作用，其轉化率(TOF)為7 h^?1，比之前報道的光催化劑性能高一個數量級。

四、數據概覽

?

圖1?MOZs設計思路??　2022 Springer Nature?

圖2?MOZ的構建和CO₂RR的優化??　2022 Springer Nature

圖3?MOZs的表征??　2022 Springer Nature

圖4?MOZs光催化CO₂RR??　2022 Springer Nature

圖5?MOZs光催化WOR???　2022 Springer Nature

圖6?MOZs的人工光合作用??　2022 Springer Nature

五、成果啟示

在這項工作中，通過將活性金屬中心、近端氨基酸和其他輔助因子整合到可調節的MOF單分子層中，實現了對MOF的人工酶的合理設計。通過多樣化-選擇-優化策略，分別開發了兩種用于光催化CO₂RR和WOR的MOZs庫。當應用于獨立系統中，MOZs在Co(bpy)₃²⁺作為氧化還原介質，實現了高效的人工光合作用。通過將多種金屬配合物、氨基酸、多肽、人工配體和其他輔助因子整合到MOF單分子層中，研究所報道的系統的工作原理可以用于開發其他MOZs，來應對日益具有挑戰性的反應。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00865-5

本文由張熙熙供稿。