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利用 CdS@ZnS:VFe 蛋白生物杂种将一氧化碳光驱动转化为碳氢化合物。

Light-driven Transformation of Carbon Monoxide into Hydrocarbons using CdS@ZnS : VFe Protein Biohybrids.

机构信息

Department of Chemical and Biological Engineering, University of Colorado Boulder, Boulder, CO 80303, USA.

Department of Molecular Biology and Biochemistry, University of California, Irvine, Irvine, CA 92697-3900, USA.

出版信息

ChemSusChem. 2023 Oct 20;16(20):e202300981. doi: 10.1002/cssc.202300981. Epub 2023 Aug 7.

DOI:10.1002/cssc.202300981
PMID:37419863
Abstract

Enzymatic Fisher-Tropsch (FT) process catalyzed by vanadium (V)-nitrogenase can convert carbon monoxide (CO) to longer-chain hydrocarbons (>C2) under ambient conditions, although this process requires high-cost reducing agent(s) and/or the ATP-dependent reductase as electron and energy sources. Using visible light-activated CdS@ZnS (CZS) core-shell quantum dots (QDs) as alternative reducing equivalent for the catalytic component (VFe protein) of V-nitrogenase, we first report a CZS : VFe biohybrid system that enables effective photo-enzymatic C-C coupling reactions, hydrogenating CO into hydrocarbon fuels (up to C4) that can be hardly achieved with conventional inorganic photocatalysts. Surface ligand engineering optimizes molecular and opto-electronic coupling between QDs and the VFe protein, realizing high efficiency (internal quantum yield >56 %), ATP-independent, photon-to-fuel production, achieving an electron turnover number of >900, that is 72 % compared to the natural ATP-coupled transformation of CO into hydrocarbons by V-nitrogenase. The selectivity of products can be controlled by irradiation conditions, with higher photon flux favoring (longer-chain) hydrocarbon generation. The CZS : VFe biohybrids not only can find applications in industrial CO removal for high-value-added chemical production by using the cheap, renewable solar energy, but also will inspire related research interests in understanding the molecular and electronic processes in photo-biocatalytic systems.

摘要

酶促费托(FT)过程由氮钒(V)酶催化,可以在环境条件下将一氧化碳(CO)转化为更长链的碳氢化合物(>C2),尽管该过程需要高成本的还原剂和/或依赖 ATP 的还原酶作为电子和能源。我们使用可见光激活的 CdS@ZnS(CZS)核壳量子点(QD)作为 V 氮酶催化组分(VFe 蛋白)的替代还原当量,首次报道了 CZS:VFe 生物杂化系统,该系统能够实现有效的光酶 C-C 偶联反应,将 CO 加氢转化为难以用传统无机光催化剂实现的烃类燃料(高达 C4)。表面配体工程优化了 QD 与 VFe 蛋白之间的分子和光电耦合,实现了高效率(内部量子产率>56%)、ATP 独立、光子到燃料的产生,实现了>900 的电子周转数,与 V 氮酶将 CO 转化为烃类的自然 ATP 偶联转化相比提高了 72%。通过辐照条件可以控制产物的选择性,较高的光子通量有利于(长链)烃类的生成。CZS:VFe 生物杂化物不仅可以通过利用廉价、可再生的太阳能在工业 CO 去除方面找到用于高附加值化学品生产的应用,而且还将激发相关研究兴趣,以了解光生物催化系统中的分子和电子过程。

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引用本文的文献

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