Photosynthesis is performed by a multitude of organisms, but in nearly all cases, it is variations on a common theme: absorption of light followed by energy transfer to a reaction center where charge separation takes place. This initial form of chemical energy is stabilized by the biosynthesis of carbohydrates. To produce these energy-rich products, a substrate is needed that feeds in reductive equivalents. When photosynthetic microorganisms learned to use water as a substrate some 2 billion years ago, a fundamental barrier against unlimited use of solar energy was overcome. The possibility of solar energy use has inspired researchers to construct artificial photosynthetic systems that show analogy to parts of the intricate molecular machinery of photosynthesis. Recent years have seen a reorientation of efforts toward creating integrated light-to-fuel systems that can use solar energy for direct synthesis of energy-rich compounds, so-called solar fuels. Sustainable production of solar fuels is a long awaited development that promises extensive solar energy use combined with long-term storage. The stoichiometry of water splitting into molecular oxygen, protons, and electrons is deceptively simple; achieving it by chemical catalysis has proven remarkably difficult. The reaction center Photosystem II couples light-induced charge separation to an efficient molecular water-splitting catalyst, a Mn4Ca complex, and is thus an important template for biomimetic chemistry. In our aims to design biomimetic manganese complexes for light-driven water oxidation, we link photosensitizers and charge-separation motifs to potential catalysts in supramolecular assemblies. In photosynthesis, production of carbohydrates demands the delivery of multiple reducing equivalents to CO2. In contrast, the two-electron reduction of protons to molecular hydrogen is much less demanding. Virtually all microorganisms have enzymes called hydrogenases that convert protons to hydrogen, many of them with good catalytic efficiency. The catalytic sites of hydrogenases are now the center of attention of biomimetic efforts, providing prospects for catalytic hydrogen production with inexpensive metals. Thus, we might complete the water-to-fuel conversion: light+2H2O→2H2+O2 This reaction formula is to some extent already elegantly fulfilled by cyanobacteria and green algae, water-splitting photosynthetic microorganisms that under certain conditions also can produce hydrogen. An alternative route to hydrogen from solar energy is therefore to engineer these organisms to produce hydrogen more efficiently. This Account describes our original approach to combine research in these two fields: mimicking structural and functional principles of both Photosystem II and hydrogenases by synthetic chemistry and engineering cyanobacteria to become better hydrogen producers and ultimately developing new routes toward synthetic biology.

A zinc phthalocyanine with tyrosine substituents (ZnPcTyr), modified for efficient far-red/near-IR performance in dye-sensitized nanostructured TiO(2) solar cells, and its reference, glycine-substituted zinc phthalocyanine (ZnPcGly), were synthesized and characterized. The compounds were studied spectroscopically, electrochemically, and photoelectrochemically. Incorporating tyrosine groups into phthalocyanine makes the dye ethanol-soluble and reduces surface aggregation as a result of steric effects. The performance of a solar cell based on ZnPcTyr is much better than that based on ZnPcGly. Addition of 3alpha,7alpha-dihydroxy-5beta-cholic acid (cheno) and 4-tert-butylpyridine (TBP) to the dye solution when preparing a dye-sensitized TiO(2) electrode diminishes significantly the surface aggregation and, therefore, improves the performance of solar cells based on these phthalocyanines. The highest monochromatic incident photo-to-current conversion efficiency (IPCE) of approximately 24% at 690 nm and an overall conversion efficiency (eta) of 0.54% were achieved for a cell based on a ZnPcTyr-sensitized TiO(2) electrode. Addition of TBP in the electrolyte decreases the IPCE and eta considerably, although it increases the open-circuit photovoltage. Time-resolved transient absorption measurements of interfacial electron-transfer kinetics in a ZnPcTyr-sensitized nanostructured TiO(2) thin film show that electron injection from the excited state of the dye into the conduction band of TiO(2) is completed in approximately 500 fs and that more than half of the injected electrons recombines with the oxidized dye molecules in approximately 300 ps. In addition to surface aggregation, the very fast electron recombination is most likely responsible for the low performance of the solar cell based on ZnPcTyr.

Iron's abundance and rich coordination chemistry are potentially appealing features for photochemical applications. However, the photoexcitable charge-transfer states of most iron complexes are limited by picosecond or subpicosecond deactivation through low-lying metal-centered states, resulting in inefficient electron-transfer reactivity and complete lack of photoluminescence. In this study, we show that octahedral coordination of iron(III) by two mono-anionic facial tris-carbene ligands can markedly suppress such deactivation. The resulting complex [Fe(phtmeimb)2]+, where phtmeimb is {phenyl[tris(3-methylimidazol-1-ylidene)]borate}-, exhibits strong, visible, room temperature photoluminescence with a 2.0-nanosecond lifetime and 2% quantum yield via spin-allowed transition from a doublet ligand-to-metal charge-transfer (2LMCT) state to the doublet ground state. Reductive and oxidative electron-transfer reactions were observed for the 2LMCT state of [Fe(phtmeimb)2]+ in bimolecular quenching studies with methylviologen and diphenylamine.

A 9 ps (3)MLCT lifetime was achieved by a Fe(II) complex based on C(NHC)^N(py)^C(NHC) pincer ligands. This is the longest known so far for any kind of complexes of this abundant metal, and increased by almost two orders of magnitude compared to the reference Fe(II) bis-terpyridine complex.