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Bioinspired Fe Single-Atom Nanozyme Synergizes with Natural NarGH Dimer for High-Efficiency Photobiocatalytic Nitrate Conversion

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作者
Jiyong Bian,Jing Zhao,Zixuan Zhang,Dongfei Liu,Xianen Lan,Yang Liao,Xiaoqiang An,Diannan Lu,Minmin Liang,Ruiping Liu,Junwang Tang,Huijuan Liu,Jiuhui Qu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07315
摘要

Nitrate reduction is of paramount importance for both the restoration of natural ecosystems and the sustainable development of chemical industries but faces challenges in the rate-limiting step of nitrate-to-nitrite conversion. Herein, we demonstrate a semiartificial photobiosynthetic platform that synergistically combines cyano-rich carbon nitride (C3N4)- supported Fe single-atom nanozymes (Fe/C3N4-CN), which mimic the electron transfer function of the NarI subunit, with native NarGH dimers for efficient light-driven nitrate reduction. Under visible light irradiation, the photobiocatalyst exhibits a state-of-the-art capability for nitrate conversion with nearly 100% nitrite selectivity and an unprecedented reaction kinetic constant (k) that far exceeds those of all reported visible-light-driven photocatalysts, corresponding to a 68.9-fold enhancement over the isolated C3N4 photocatalysts. The synergized enzymatic catalytic efficiency (kcat/KM(app)) reaches 1.81 × 106 M-1 min-1, far exceeding those of reported biological enzymes and enzyme-mimicking nanomaterials for nitrate conversion. Mechanistic studies at the atomic and molecular levels reveal that Fe single atoms and -C≡N groups on C3N4 mimic the heme bD and heme bP in the NarI subunit, forming a unique electron transfer chain between the biotic-abiotic interface that enables efficient nitrate reduction. This work represents an inspiring approach to overcome the kinetic bottleneck of nitrate-to-nitrite conversion, providing essential nitrite for sustainable anammox reactions and reducing energy consumption for ammonia production.
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