Næste generation af nanokatalysatorer til at revolutionere aktiv elektronoverførsel

Forskellige molekylære systemer er blevet udviklet af forskere til fotoinduceret (dvs. lysdrevet) elektronoverførsel, herunder supramolekyler, hybridmaterialer og organiske polymersystemer. Selvom disse systemer opfylder det afstandskriterium, der kræves af elektrondonoren og -acceptoren for effektiv elektronoverførsel, kommer de ofte til kort med hensyn til at imødekomme molekylær bevægelse, især i væskemiljøer. Er der en brugbar tilgang til at designe et system, der letter elektronoverførsel uden at bukke under for disse begrænsninger?

Dette problem er specifikt blevet behandlet i en nylig undersøgelse af et team af forskere fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Ledet af lektor Kosuke Okeyoshi og inklusive lektor Shun Nishimura og kandidatkursusstuderende Reina Hagiwara, har teamet nu udviklet et copolymer-konjugeret nanokatalytisk system til at forbedre aktiv elektronoverførsel til øget fotoinduceret brintgenerering.

Deres undersøgelse, offentliggjort i Chemical Communications , har til formål at overvinde begrænsningerne af nuværende fotoinducerede elektronoverførselssystemer. Forskernes mål var at etablere et effektivt katalysatorsystem, der er i stand til at fremme elektronoverførsel med kun et minimum af sidereaktioner.

Dr. Okeyoshi forklarer, "Dette system har potentielle virkelige anvendelser for brintøkonomien. Ved at integrere systemet med et oxygengenererende system forventes fotoinduceret vandopdeling (kunstig fotosyntese)."

I denne henseende er viologen et velkendt molekyle, der både er en effektiv elektrondonor og -acceptor. Forskerne havde tidligere udnyttet denne egenskab ved viologen til at udvikle et elektronoverførselssystem, som omfattede copolymeren poly(N-isopropylacrylamid-co-Viologen) (PNV) og modificerede platinnanopartikler (Pt NP'er).

I dette system reagerer den temperaturafhængige faseovergang i PNV på viologens redoxændringer, hvilket muliggør en cyklisk elektronoverførselsproces til kontinuerlig brintgenerering. Men mens PNV'erne nær Pt NP'erne deltog i elektronoverførselsprocessen, kunne frie PNV-molekyler placeret længere væk også acceptere elektroner.

For at løse dette problem har forskerne nu designet et copolymer-konjugeret nanokatalytisk system ved hjælp af den ternære tilfældige copolymer poly(NIPAAm-co-Acrylamide-co-Viologen) eller PNAV, som blev syntetiseret ved præcist at kontrollere molekylvægten og introduktionsforholdet af polymere enheder.

Et bemærkelsesværdigt kendetegn ved PNAV er dets temperaturresponsive adfærd, præget af en faseovergang afhængig af temperatur. Denne unikke copolymer udviser et mærkbart skift, der oscillerer mellem en opsvulmet tilstand i sin oxiderede form (PNAV ²⁺ ) og en krympet tilstand i sin reducerede form (PNAV ⁺ ).

Derudover involverer forbindelsen af ​​PNAV til Pt NP'er en reduktionsproces, der giver kontrol over afstanden mellem viologen og Pt NP'erne. Specifikt viser den præcise hævelse/krympning af PNAV på Pt NP'erne sig afgørende for succesen af ​​den foreslåede cykliske elektronoverførselsproces på en given afstand.

Den nuværende innovation udnytter fordelene ved en stimuli-responsiv polymerkæde for at opnå dynamisk elektronoverførsel. Det copolymer-konjugerede nanokatalytiske system lover ikke kun at lette aktiv elektronoverførsel i fotoinduceret brintgenerering, men demonstrerer også potentiel nytte i kunstige fotosyntetiske reaktioner, såsom fotoinduceret vandspaltning. Desuden forventes denne innovative tilgang at have bredere anvendelser ud over fotokemiske reaktioner til at omfatte forskellige domæner, herunder elektrokemiske reaktioner og makromolekylær genkendelse.

Den bæredygtige cykliske elektronoverførselsproces, der er muliggjort af denne teknologi, giver således muligheder for fremskridt på tværs af forskellige videnskabelige discipliner. "De langsigtede implikationer omfatter fremme af et brintenergisamfund drevet af sollys og fremstilling af bio-inspirerede bløde materialer som produkter," konkluderer Dr. Okeyoshi.

Flere oplysninger: Reina Hagiwara et al., Præcis design af copolymer-konjugerede nanokatalysatorer til aktiv elektronoverførsel, Chemical Communications (2023). DOI:10.1039/D3CC05242G

Journaloplysninger: Kemisk kommunikation

Leveret af Japan Advanced Institute of Science and Technology