Oligomere materialer for at forbedre vandspaltning

Forskere fra Llobet-gruppen har udviklet et nyt molekylært materiale lavet af oligomerer og brugt det som en katalysator i vandoxidation, opnå hidtil usete strømtætheder for molekylære katalysatorer. Papiret "Vandoxidationselektrokatalyse ved hjælp af rutheniumkoordinationsoligomerer adsorberet på flervæggede kulstofnanorør, " er blevet offentliggjort i Naturkemi .

Genereringen af ​​elektroanoder og katoder til vandspalteanordninger baseret på molekylære komplekser forankret på faste overflader vinder frem takket være deres alsidige og modulære egenskaber gennem liganddesign. Efter at have studeret den katalytiske adfærd af oligomerer med den generelle formel {[Ru(tda)(4, 4'- bpy)]n(4, 4'-bpy)} (hvor n er 1, 2, 4, 5 eller 15), videnskabsmændene fra ICIQs Llobet-team satte sig for at forankre dem på grafitiske overflader. "Vi besluttede at designe et oligomert materiale baseret på vores kraftfulde Ru(tda) katalysator for at gå fra homogene til heterogene applikationer. Vi var nødt til at forankre katalysatoren på en overflade for at finde en håndgribelig anvendelse på vandopdelingsanordninger, " forklarer Marcos Gil-Sepulcre, postdoc-forsker og gruppekoordinator ved Llobet-gruppen og første medforfatter på papiret.

I samarbejde med internationale partnere som Johannes Elemans ved Institut for Molecules and Materials Radboud University og Christina Scheu ved Max-Planck-Institut fur Eisenforschung GmbH i Düsseldorf, forskerne udførte flere mikroskopiundersøgelser for at karakterisere hybridmaterialerne. Ud over, Grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GIWAXS) blev udført ved Alba synkrotron af Marc Malfois og Eduardo Solano. Yderligere, tæthed-funktionel teori (DFT) beregninger, udført af ICIQ Maseras-gruppen, at udforske arten af ​​interaktionen mellem oligomererne og de grafitiske overflader. Røntgenabsorptionsspektroskopiske (XAS) målinger blev også anvendt, i samarbejde med gruppen af ​​D. Moonshiram på IMDEA Nanociencia, at analysere oligomererne på de grafitiske overflader, og evaluere deres skæbne under og efter katalyse. På denne måde bekræftede forskerne oligomerens molekylære natur og fandt ud af, at den adsorberes til den grafitiske overflade via aromatiske katalysator-overflade C-H-π-interaktioner - en forankringsstrategi, der aldrig er blevet beskrevet for molekylære katalysatorer indtil nu.

En enkelt monomer af den anvendte oligomer er ude af stand til at forankre, fordi dens interaktioner med overfladen er for svage. At finde styrke i tal, når flere enheder er introduceret, det store antal C-H-π interaktioner stabiliserer hele kæden. Konformationen af ​​hybridmaterialet (et nanorør omgivet af oligomerer) er årsagen til dets høje effektivitet:alle ruthenium-atomer i oligomererne er aktive katalytiske centre - i modsætning til at dumpe toner af oxider på elektroder, som det normalt gøres i materialevidenskab.

Det resulterende hybride molekylære materiale opfører sig som en robust og kraftfuld elektroanode til vandoxidationsreaktionen, der opnår hidtil usete strømtætheder for molekylære katalysatorer i hele pH-området, men især ved neutral pH. "Så vidt vi ved, der er ingen koordinationspolymer, MOF eller COF, eller organometallisk materiale, der fungerer under neutrale forhold, giver disse strømme og er stabil, " hævder Gil-Sepulcre.

Arbejdet giver grundlag for at designe robuste og effektive hybride molekylære elektroanodematerialer til oxidation af vandbaseret på Ru-komplekser, som kan udvides til andre overgangsmetaller og andre katalytiske reaktioner. Holdet arbejder allerede på at implementere hybridmaterialet på fotoelektrokemiske celler for at teste dets applikationer i en vandopdelingsanordning.