Carbon Nanotube–Graphitic Carbon Nitride Hybrid Films for Flavoenzyme‐Catalyzed Photoelectrochemical Cells

Abstract

In green plants, solar-powered electrons are transferred through sophistically arranged photosystems and are subsequently channelled into the Calvin cycle to generate chemical energy. Inspired by the natural photosynthetic scheme, a photoelectrochemical cell (PEC) is constructed configured with protonated graphitic carbon nitride (p-g-C 3 N 4 ) and carbon nanotube hybrid (CNT/p-g-C 3 N 4 ) film cathode, and FeOOH-deposited bismuth vanadate (FeOOH/BiVO 4 ) photoanode for the production of industrially useful chiral alkanes using an old yellow enzyme homologue from Thermus scotoductus (TsOYE). In the biocatalytic PEC platform, photoexcited electrons provided by the FeOOH/BiVO 4 photoanode are transferred to the robust and self-standing CNT/p-g-C 3 N 4 hybrid film that electrocatalytically reduces flavin mononucleotide (FMN) mediator. The p-g-C 3 N 4 promotes a two-electron reduction of FMN coupled with an accelerated electron transfer by the conductive CNT network. The reduced FMN subsequently delivers the electrons to TsOYE for the highly enantioselective conversion of ketoisophorone to (R)-levodione. Under light illumination (>420 nm) and external bias, (R)-levodione is synthesized with the enantiomeric excess value of above 83%, not influenced by the scale of applied bias, simultaneously exhibiting stable and high current efficiency. The results suggest that the biocatalytic PEC made up of economical materials can selectively synthesize high-value organic chemicals using water as an electron donor.

Carbon Nitride Materials for Water Splitting Photoelectrochemical Cells

“…[30] Similar methods resulted in CN sheets serving as am embrane with improved pollutant photodegradation activity [73] and also produced free-standing CN/carbon nanotube composite electrodes. [74] An additional way to prepare free-standing CN-based electrodes is by freeze-drying aC N-containing hydrogel, resulting in an aerogel as demonstrated by Hou et al [75] Another approach to deposit CN materials on asubstrate is to cast CN embedded in aconductive polymer matrix. The latter has at wofold advantage:i ti mproves the charge transport in the film and improves the casting homogeneity.…”

Kohlenstoffnitridmaterialien für photochemische Zellen zur Wasserspaltung

“…[67][68][69] Zhang et al haben gezeigt, dass die Protonierung von CN unter Verwendung einer starken Säure zu einem Sol führt, das die Abscheidung auf Filmen unter Verwendung von Tauchbeschichten erlaubt. [74] Ein weiterer Wegz ur Herstellung freistehender CN-basierter Elektroden ist die Gefriertrocknung eines CN-haltigen Hydrogels,was zu einem Aerogel führt, wie von Hou et al gezeigt. [66] Eine weitere Mçglichkeit besteht im Aufsprühen einer wässrigen Suspension von exfoliertem CN unter Verwendung eines kommerziellen Befeuchters.…”

“…[137] CN wurde auch in farbstoff-/quantenpunktsensibilisiertenS olarzellen als Sensibilisator und als Sperrschicht eingesetzt. [143] CN kçnnen auch in PEC füra ndere Reduktionsreaktionen als der Wasserspaltung verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung nützlicher chemischer Brennstoffe wie etwa H 2 O 2 [71] und chirale Alkane [74] sowie zur Stromproduktion oder -speicherung. [82] Die einstellbaren optischen Eigenschaften von CN-Schichten ermçglichen des Weiteren deren Nutzung als Emissionsschicht [142] in LEDs.…”

“…[30] ¾hnliche Verfahren führten zu CN-Folien, die als Membran mit verbesserter Aktivitätb eim Photoabbau von Schadstoffen dienten, [73] und ergaben auch freistehende CN/Kohlenstoffnanorçhren-Komposit-Elektroden. [74] Ein weiterer Wegz ur Herstellung freistehender CN-basierter Elektroden ist die Gefriertrocknung eines CN-haltigen Hydrogels,was zu einem Aerogel führt, wie von Hou et al gezeigt. [75] Ein weiterer Ansatz zur Abscheidung von CN-Materialien auf einem Substrat besteht im Gießen von in einer leitfähigen Polymermatrix eingebettetem CN.Letzteres bietet zwei Vorteile:E sv erbessert den Ladungstransport im Film und verbessert die Beschichtungshomogenität.…”

“…[37,38,[143][144][145] CN wirkten hierbei als Lochinjektionsschicht. [143] CN kçnnen auch in PEC füra ndere Reduktionsreaktionen als der Wasserspaltung verwendet werden, beispielsweise zur Herstellung nützlicher chemischer Brennstoffe wie etwa H 2 O 2 [71] und chirale Alkane [74] sowie zur Stromproduktion oder -speicherung. [146] CN-basierte Elektrokatalysatoren werden auch aktiv fürAnwendungen im Zusammenhang mit Batterien und Kondensatoren untersucht, beispielsweise als Katalysatoren fürd ie Sauerstoffreduktion.…”