Nanoarchitectonic Semiconductor–Bio Hybrid Systems with Enhanced Charge Transfer for Hydrogen Peroxide Production

化学 过氧化氢 混合动力系统 混合材料 电荷(物理) 化学工程 制氢 光化学 无机化学 生产(经济)
作者
Jinhyeong Jang,Haruki Meguro,Yuzi Liu,Jianguo Wen,Tetsuya Nakamura,Elena A. Rozhkova
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (19): 19895-19905
标识
DOI:10.1021/jacs.6c02561
摘要

Nanoarchitectonics offers a systematic approach to creating an artificial framework by integrating different multiscale components such as semiconductor lattices and biological substances. However, most nanoarchitectonic abiotic-biotic hybrid systems have intrinsic limitations in imparting nonequilibrium biological features into semiconductor lattices at the nanoscale. Here, we report a new nanoarchitectonic system integrating bismuth oxychloride (BiOCl) nanosheets with purple membrane (PM) patches. PM is an archaeal subcellular fraction capable of unidirectionally transferring photogenerated charge carriers to its surroundings at the nanoscale independent of archaeal metabolism and retaining this dynamic functionality after isolation from living archaea. Microscopy, spectroscopy, electrochemical, and synchrotron X-ray scattering analyses verify that the nanoarchitectonic hybridization between BiOCl and PM generates a vertical heterostructure, thereby enhancing photogenerated charge-carrier dynamics and enabling the associated photocatalytic capacity. The resulting PM-BiOCl hybrid nanosheets efficiently convert dioxygen into hydrogen peroxide through a two-electron and two-proton transfer process under ambient conditions while simultaneously converting ethylene glycol into value-added chemicals. This study presents a nanoarchitectonic approach that leverages the photogenerated charge-carrier dynamics of the archaeal subcellular fractions to modulate the optoelectronic and catalytic capacity limitations of semiconductors.
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