Engineered Electron‐Transfer Chain in Photosystem 1 Based Photocathodes Outperforms Electron‐Transfer Rates in Natural Photosynthesis

作者
Tim Kothe,Sascha Pöller,Fangyuan Zhao,Philippe Fortgang,Matthias Rögner,Wolfgang Schuhmann,Nicolas Plumeré
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:20 (35): 11029-11034 被引量:128
标识
DOI:10.1002/chem.201402585
摘要

Photosystem 1 (PS1) triggers the most energetic light-induced charge-separation step in nature and the in vivo electron-transfer rates approach 50 e(-) s(-1) PS1(-1). Photoelectrochemical devices based on this building block have to date underperformed with respect to their semiconductor counterparts or to natural photosynthesis in terms of electron-transfer rates. We present a rational design of a redox hydrogel film to contact PS1 to an electrode for photocurrent generation. We exploit the pH-dependent properties of a poly(vinyl)imidazole Os(bispyridine)2Cl polymer to tune the redox hydrogel film for maximum electron-transfer rates under optimal conditions for PS1 activity. The PS1-containing redox hydrogel film displays electron-transfer rates of up to 335±14 e(-) s(-1) PS1(-1), which considerably exceeds the rates observed in natural photosynthesis or in other semiartificial systems. Under O2 supersaturation, photocurrents of 322±19 μA cm(-2) were achieved. The photocurrents are only limited by mass transport of the terminal electron acceptor (O2). This implies that even higher electron-transfer rates may be achieved with PS1-based systems in general.

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