人工光合成を高効率化する生体細胞模倣ナノリアクター (Nanoreactor Mimics Living Cells for Enhanced Artificial Photosynthesis)

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2026-07-21 中国科学院(CAS)

中国科学院大連化学物理研究所と内モンゴル大学の研究チームは、生細胞の機能を模倣した中空CdS@ポリドーパミン(CdS@polydopamine)ナノリアクターを開発し、人工光合成の効率を大幅に向上させた。このナノリアクターは、生体模倣の2つの特徴を備える。第一に、ポリドーパミン殻中のカテコール/o-ベンゾキノン酸化還元対がプロトンリレーとして働き、プロトン共役電子移動(PCET)を促進する。第二に、多孔質殻と中空構造による閉鎖空間が反応物の濃縮、物質拡散、光の閉じ込めを実現し、反応効率を高める。これにより、酸素還元反応と水酸化反応の速度差を克服し、可視光下で過酸化水素(H₂O₂)を3.24 mmol gcat.⁻¹ h⁻¹の速度で生成、太陽光エネルギー変換効率は1.2%に達した。さらに、アルギン酸ナトリウムハイドロゲルへ封入することで、自然光下でも安定して再利用可能な光触媒を実現した。本研究は、生細胞に近い機能を持つナノリアクター設計の新たな指針を示し、人工光合成、エネルギー触媒、合成化学への応用が期待される。

人工光合成を高効率化する生体細胞模倣ナノリアクター (Nanoreactor Mimics Living Cells for Enhanced Artificial Photosynthesis)

Schematic illustration of photocatalytic H2O2 synthesis over hollow CdS@polydopamine based on biomimetic proton relay machinery and nanoreactor engineering. (Image by LI Haitao)

<関連情報>

光触媒反応用ナノリアクターにおける生体模倣型酸化還元反応を介したプロトンリレー Biomimetic Redox-Mediated Proton Relay in Nanoreactors for Photocatalysis

Haitao Li,Mengyuan Ji,Jinlu He,Dehui Deng,Jincai Zhao,Jian Liu,and Can Li

Journal of the American Chemical Society  Published: July 8, 2026

DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c08170

Abstract

Mimicking the hierarchical compartmentalization and proton pump machinery of living cells in synthetic nanomaterials offers a promising route for sustainable photocatalysis. Here, we report a hollow CdS@polydopamine nanoreactor that integrates two biomimetic features: (i) A dynamic catechol/o-benzoquinone redox pair in the polydopamine shell that functions as a proton relay (rather than an active pump), accelerating proton-coupled electron transfer (PCET) by reversibly donating and accepting protons, and (ii) compartmentalized nanoreactor architecture comprising a porous shell-defined nanoscale cavity that creates confined microenvironments for mass diffusion, reactant enrichment, and photon trapping. This synergistic integration concurrently promotes both oxygen reduction and water oxidation half-reactions, achieving a record H2O2 photosynthesis rate (3.24 mmol gcat.–1 h–1) in aqueous solution under visible-light illumination, with a solar-to-chemical conversion efficiency of 1.2%. The combination of in situ spectroscopy, photochemical analysis, finite element simulations, and theoretical calculations visualizes the biomimetic machinery and elucidates the photocatalytic mechanism. Furthermore, encapsulation within an environmentally benign sodium alginate hydrogel matrix yields monolithic and recyclable photocatalysts capable of stable H2O2 synthesis under natural sunlight. This work will inspire a new generation of biomimetic nanomaterials that increasingly replicate the sophistication of living cells, opening frontiers in photosynthesis, energy catalysis, and synthetic chemistry.

生物工学一般
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