Napodobenina chloroplastu by mohla posloužit široké škále elektrokatalytických reakcí, s jejichž pomocí by mělo být možné redukovat obsah CO2 či jiných plynů.
Při fotosyntéze zelených rostlin je klíčovým místem pro fixaci oxidu uhličitého z ovzduší chloroplast čili organela dávného symbiotického původu. Chloroplast je obalen dvojitou membránou, která reguluje fungování „chloroplastové továrny“.
Sü Cung z čínské Dalian Maritime University a jeho spolupracovníci se chloroplasty inspirovali při vytváření katalytického membránového nanoreaktoru (CMNR — catalytic membrane nanoreactor) pro vysoce selektivní a účinnou redukci oxidu uhličitého na oxid uhelnatý. Jejich „chloroplast“ vzniká samouspořádáním dvojvrstvy cetyltrimethylamonium bromidu (CTAB) na povrchu zlaté nanotyčinky (GNR — gold nanorod), jež funguje jako elektrokatalyzátor.
Schematické srovnání struktur chloroplastu a nanoreaktoru napodobujícího chloroplast pro reakci redukce CO2: struktury chloroplastu umožňují selektivní transport různých druhů přes fosfolipidovou dvojvrstvu (chloroplastová membrána) a následnou fotosyntetickou fixaci CO2 prostřednictvím enzymové katalýzy RuBisCO probíhající ve stromatu chloroplastu (a), ilustrace biomimetického designu, který využívá katalyzátory GNR modifikované dvojvrstvou CTAB pro redukci CO2 obsaženého ve vodném roztoku (b)
© Dalian Maritime University
Strukturu takto vzniklého nanoreaktoru prozkoumali pomocí pokročilých zobrazovacích metod i teoretických výpočtů. Následné experimenty potvrdily, že CMNT pohlcuje oxid uhličitý z roztoku a molekuly tohoto plynu putují ke zlaté nanotyčince k „dalšímu zpracování“. Tak jako dvojvrstva molekul CTAB napodobuje dvě membrány chloroplastu a zajišťuje transport klíčových molekul celým systémem, napodobuje zlatá nanotyčinka funkci enzymu RuBisCO (ribulosa- 1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa), klíčového hráče fotosyntézy, tím, že provádí zásadní krok reakcí nanoreaktoru, tedy redukci oxidu uhličitého jeho přeměnou na oxid uhelnatý.
Badatelé tím ověřili, že dvojvrstva molekul CTAB napodobuje biomembránu chloroplastu, jen s tím rozdílem, že namísto protonů selektivně transportuje právě molekuly oxidu uhličitého. Navíc se ukázalo, že ionty bromu molekul CTAB přispívají ke stabilizaci probíhajících reakcí, jež přeměnu oxidu uhličitého na oxid uhelnatý zajišťují.
Tato práce představuje nový biomimetický design zaměřený na řešení problémů spojených s reakcí na redukci CO2, mohl by však být použitelný i pro širokou škálu dalších elektrokatalytických reakcí, např. k redukci kyslíku či dusíku.