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模拟光合作用的光动力催化剂问世

2021-11-16 09:28:29 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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  美国麻省理工学院研究人员通过模拟光合作用,即植物用来生产糖分的光驱动过程,设计了一种可以吸收光并用光来驱动各种化学反应的新型光催化剂。该研究成果15日发表在《化学》杂志上。

  这种新型催化剂被称为生物混合光催化剂,其含有一种采光蛋白,可吸收光并将能量转移到含金属的催化剂上。然后,这种催化剂利用能量进行反应,这些反应可用于合成药物或将废物转化为生物燃料及其他有用的化合物。

  研究资深作者、麻省理工学院化学副教授加布里埃拉·施劳-科恩表示,光催化可使药物、农用化学品和燃料合成更加高效和环保。研究表明,新型光催化剂可显著提高他们尝试的化学反应的产量,且与现有的光催化剂不同,新催化剂可吸收所有波长的光。

  在之前进行的关于光催化剂的工作中,研究人员使用一种分子来进行光吸收和催化。该方法有局限性,因为大多数使用的催化剂只能吸收某些波长的光。为了创建新催化剂,研究人员模拟光合作用并将两种不同的元素结合起来:一种用于采集光,另一种用于催化化学反应。对于光采集部分,他们使用了一种在红藻中发现的被称为R-植物红素的蛋白质。他们将这种蛋白质连接到含钌催化剂上,该催化剂以前曾被单独用于光催化。

  联合展开研究的普林斯顿大学团队测试了催化剂在两种不同类型的化学反应中的性能。一种是硫醇—烯偶联,将硫醇和烯烃连接起来形成硫醚,另一种是肽偶联后用甲基取代剩余的硫醇基团。

  普林斯顿团队的研究表明,与单独的钌光催化剂相比,新的生物混合催化剂可将这些反应产量提高十倍。他们还发现,这些反应可在红光照射下发生,这是现有光催化剂难以实现的,其对组织的破坏更小,因此有可能用于生物系统。

  研究人员说,这种改进的光催化剂可被纳入上述两种反应的化学过程中。硫醇—烯偶联可用于创建蛋白质成像、传感、药物输送和生物分子稳定性所需的化合物。例如,它可用于合成脂肽,使新设计的抗原疫苗更容易被吸收。研究人员测试的另一种反应是西苯脱硫,它在肽合成中有许多应用,包括可用于生产艾滋病治疗药物恩夫韦地。

  这种类型的光催化剂还可用于驱动一种被称为木质素解聚的反应,有助于从木材或其他难以分解的植物材料中产生生物燃料。(张梦然)

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