Bias-free photoelectrochemical water splitting with photosystem II on a dye-sensitized photoanode wired to hydrogenase

氢化酶 分解水 人工光合作用 光系统II 光系统 光系统I 材料科学 纳米技术 化学 光化学 光合作用 光催化 催化作用 生物化学 有机化学
作者
Katarzyna P. Sokol,William E. Robinson,Julien Warnan,Nikolay Kornienko,Marc M. Nowaczyk,Adrian Ruff,Jenny Zhang,Erwin Reisner
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:3 (11): 944-951 被引量:261
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0232-y
摘要

Natural photosynthesis stores sunlight in chemical energy carriers, but it has not evolved for the efficient synthesis of fuels, such as H2. Semi-artificial photosynthesis combines the strengths of natural photosynthesis with synthetic chemistry and materials science to develop model systems that overcome nature’s limitations, such as low-yielding metabolic pathways and non-complementary light absorption by photosystems I and II. Here, we report a bias-free semi-artificial tandem platform that wires photosystem II to hydrogenase for overall water splitting. This photoelectrochemical cell integrated the red and blue light-absorber photosystem II with a green light-absorbing diketopyrrolopyrrole dye-sensitized TiO2 photoanode, and so enabled complementary panchromatic solar light absorption. Effective electronic communication at the enzyme–material interface was engineered using an osmium-complex-modified redox polymer on a hierarchically structured TiO2. This system provides a design protocol for bias-free semi-artificial Z schemes in vitro and provides an extended toolbox of biotic and abiotic components to re-engineer photosynthetic pathways. Semi-artificial photosynthetic systems combine natural and synthetic features to overcome limitations of each approach to produce solar fuels. Sokol et al. integrate a dye-sensitized TiO2 photoanode with the natural machineries, photosystem II and hydrogenase, to split water without additional applied bias.
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