Semi-artificial leaf interfacing organic semiconductors and enzymes for solar chemical synthesis

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作者
Celine W. S. Yeung,Yongpeng Liu,David M. Vahey,Samuel J. Cobb,Virgil Andrei,Ana Margarida Coito,Rita Rebelo Manuel,Inês A. C. Pereira,Erwin Reisner
出处
期刊:Joule [Elsevier BV]
卷期号:9 (11): 102165-102165 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.joule.2025.102165
摘要

Photoelectrochemical biohybrids combine the advantages of light-harvesting semiconductors and biocatalysts into a single compact device. However, limited device stability, the use of toxic elements, and non-innocent external components make a sustainable artificial photosynthetic reaction difficult to achieve. Here, we introduce organic photoelectrodes connected to an inverse opal TiO 2 matrix that hosts efficient hydrogenase or formate dehydrogenase, driving direct solar fuel synthesis. By co-immobilizing carbonic anhydrase, the organic bulk heterojunction photobiocathodes generate onset potentials of 1 V vs. RHE and photocurrent densities of up to −8 mA cm −2 in a pH-neutral bicarbonate solution, attaining stable H 2 production or selective CO 2 -to-formate conversion over 10 h. Sufficient aqueous formate was produced (∼2.5 mM) to serve as a hydride source for the asymmetric hydrogenation of acetophenone using a synthetic Noyori-Ikariya catalyst. The semi-artificial organic semiconductor—BiVO 4 tandem leaves achieve a solar-to-fuel efficiency of 0.6% and a Faradaic yield of 87% for formate.
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