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Artificial Spherical Chromatophore Mimicking LH2 and LH1–RC for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Production with Turnover Number >667,000

化学 人工光合作用 两亲性 细菌叶绿素 超分子化学 量子产额 光催化 光合作用 制氢 营业额 量子 光合反应中心 光化学 生物系统 光系统II 阳离子聚合 超分子组装 量子效率 纳米技术 氢 产量(工程) 染色质 分子 合理设计 自组装 组合化学 化学工程 纳米- 仿生合成 化学物理 生物物理学 工作(物理)
作者
Jiangshan Zhang,Danying Ma,Shunyi Ming,Yifei Lei,Yonghong Fu,Ru-Lei Zhang,Shixing Lei,Song-Hai Xie,Dan‐Wei Zhang,Zhan‐Ting Li,Jia Tian
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (8): 8437-8446 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c19395
摘要

The supramolecular architecture of light-harvesting complex 2 (LH2) and light-harvesting complex 1–reaction center (LH1–RC) complexes underpins the near-unity quantum efficiency of photosynthesis in purple bacteria. Constructing artificial photosynthetic systems that structurally and functionally mimic these natural assemblies remains a critical challenge. Here, we report a spherical chromatophore nanomicelle system that mimics both LH2 and LH1–RC in water. This system is constructed through hierarchical coassembly of an amphiphilic porphyrin-based bacteriochlorophyll analogue and a cationic molecular nickel catalyst. Cryogenic electron microscopy directly resolves high-resolution ring-like structures on the nanomicelle surface, providing the first visual confirmation of the biomimetic architecture. The system achieves photocatalytic hydrogen evolution with a turnover number exceeding 667,000 over 72 h and a turnover frequency of above 9000 h–1 with an absolute hydrogen yield of 1.34 μmol─40 times greater than the nonassembled free molecular system─along with an initial external quantum efficiency of 6.8% at 435 nm. This outstanding performance originates from the well-defined spatial organization of the photosensitizers and catalysts, which facilitates efficient light harvesting and directional energy/electron transfer. Our work establishes a promising strategy for constructing high-performance artificial photosynthetic systems through rational biomimetic design.
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