تطوير فوتوسنزيتيزر-Cobaloxime الهجينة للطاقة الشمسية يحركها ح2 الإنتاج في الظروف الهوائية المائية
Summary
وقد أدرجنا مباشره صبغه العضوية ستيبيني القائم في الاساسيه cobaloxime لتوليد صبغي مزدوج فوتوسنزيتيزر محفز لإنتاج الضوئية H2 . وقد وضعنا أيضا الاعداد التجريبية بسيطه لتقييم الضوء يحركها H2 الإنتاج عن طريق الجمعيات الضوئية.
Abstract
تطوير أجهزه الإنتاج الضوئية H2 هي واحده من الخطوات الرئيسية لبناء البنية التحتية العالمية للطاقة المتجددة المستندة إلى h2. وقد برز عدد من التجميعات الضوئية حيث تعمل محفزات الإنتاج فوتوسنزيتيزر و cobaloxime H2 بالترادف لتحويل الطاقة الضوئية إلى السندات الكيميائية H-h. ومع ذلك ، فان عدم استقرار هذه التجمعات علي المدى الطويل والحاجة إلى مصادر البروتونات الخطرة قد حدت من استخدامها. هنا ، في هذا العمل ، قمنا بدمج صبغه عضويه ستيلبين القائمة في محيط الاساسيه cobaloxime عبر ربط بيريدين محوريه متميزة. وقد سمحت لنا هذه الاستراتيجية بتطوير بنيه هجينة فوتوسنزيتيزره المحفز بنفس الإطار الجزيئي. في هذه المقالة ، شرحنا الاجراء المفصل لتوليف هذا الجزيء الهجين بالاضافه إلى توصيفه الكيميائي الشامل. وقد أظهرت الدراسات الهيكلية والبصرية التفاعل الكتروني مكثفه بين الاساسيه cobaloxime والفوتوسنزيتيزر العضوية. كان cobaloxime نشطا لإنتاج H2 حتى في وجود الماء كمصدر البروتون. هنا ، قمنا بتطوير نظام محكم بسيطه متصلة بكاشف H2 علي الإنترنت للتحقيق في النشاط الضوئي من قبل هذا المجمع الهجين. هذا صبغي مزدوج فوتوسنزيتيزر محفز الموجودة في الاعداد التجريبية تنتج بشكل مستمر H2 مره واحده تعرضت في ضوء الشمس الطبيعية. ولوحظ هذا الإنتاج الضوئي H2 من المجمع الهجين في وسائل الاعلام خليط مائي/العضوية في وجود المتبرع الكترون الذبيحة تحت ظروف الهوائية الكاملة. التالي ، فان هذا النظام قياس الخلايا الضوئية مع صبغي مزدوج فوتوسنزيتيزر-محفز توفير البصيرة قيمه لتطوير الجيل القادم الضوئية H2 أجهزه الإنتاج.
Introduction
وفي العالم الحديث ، يزود الوقود الاحفوري ، مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي ، بحصة اغلبيه من الطاقة. ومع ذلك ، فانها تنتج كميه وافره من CO2 خلال حصاد الطاقة للتاثير سلبا علي المناخ العالمي1. وفي السنوات القادمة ، يتوقع حدوث ارتفاع حاد في الطلب علي الطاقة في جميع انحاء العالم بعد النمو المستمر للسكان والتحسن المستمر في نمط الحياة البشرية. التالي ، هناك بحث نشط عن مورد طاقة بديل مناسب لمواكبه متطلبات الطاقة العالمية. وقد برزت موارد الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والرياح والمد والجزر كواحده من أفضل الحلول بسبب عمليه الطاقة الكربونية الصفرية الصديقة للبيئة2. غير ان الطبيعة المتقطعة لموارد الطاقة هذه قد حدت حتى الآن من تطبيقها الواسع النطاق. ويمكن العثور علي حل ممكن لهذه المشكلة في علم الاحياء. يتم تحويل الطاقة الشمسية بكفاءة في الطاقة الكيميائية خلال التمثيل الضوئي3. بعد هذا الدليل ، وقد وضعت الباحثين استراتيجيات الضوئية الاصطناعية لتخزين الطاقة الشمسية في السندات الكيميائية بعد عدد من الجزيئات الصغيرة تفاعلات التنشيط4،5. وقد اعتبر جزيء H2 واحده من النواقل الكيميائية الأكثر جاذبيه نظرا لكثافة الطاقة العالية وبساطتها من التحول الكيميائي6,7.
وجود فوتوسنزيتيزر ومحفز الإنتاج H2 ضروريان لاعداد إنتاج h2 نشط بالطاقة الشمسية. هنا في هذا العمل ، وسوف نركز علي الكوبالت القائم علي المركب الجزيئي cobaloxime للجزء الحفاز. في العادة ، يرتبط مركز الكوبالت سداسي التنسيق في الهندسة المربعة N4 ، المشتقة من ثنائي ميثيل غليتاكسيم (دي جي) ، في الكوكالوسيم. المكملات Cl– أيونات ، جزيئات المذيبات (مثل الماء أو اسيتلونيتريل) أو المشتقات بيريدين نربط في المواقع المحورية المتبقية8. ومن المعروف منذ فتره طويلة cobaloximes لنشاط H2 الكهربائية الإنتاج والتفاعلات التي يمكن ضبطها من قبل وظائف متغير apridon المحوري بيريدين9,10,11,12 . وقد دفعت التوليفات غير معقده نسبيا ، والتسامح الأكسجين في ظل الظروف الحفازه ، والاستجابة التحفيزية المعتدلة من الكوكالوكسيسيسالباحثين لاستكشاف بهم الضوئية H 2 التفاعل الإنتاج. وكانت مجموعه Hawecker الرائدة في البرهنة علي ضوء يحركها H2 نشاط الإنتاج من الكوبرا باستخدام Ru (بوليبيريديل)-القائم علي حساسات الحساسية13. وقد استخدم ايزنبرغ وزملاءه في التوظيف البلاتين (Pt) القائم علي الحساسية غير العضوية للحث علي إنتاج الضوئية H2 بالترادف مع المحفزات cobaloxime14,15. فيما بعد, استعمل ال [ش] مجموعه [ارغنو-غلد فوتوسنزيتيزر] ان يكرر نشاط مماثله16. وقد وسعت fontecave و ارتيرو نطاق التحسس الضوئي من خلال تطبيق الجزيئات التي تستند إلى ايريديوم (Ir)17. وكانت التطبيقات العملية لهذه الانظمه الضوئية تتجه نحو طريق مسدود بسبب استخدام الاجهزه الحساسة للضوء المعدنية المكلفة. وقد ردت المجموعات البحثية ايزنبرغ والشمس انه بشكل مستقل ابتكار العضوية القائمة علي الصبغة الصورة يحركها ح2 أنظمهالإنتاج18,19. علي الرغم من نجاح الصورة التي يحركها H2 الإنتاج من قبل جميع هذه الانظمه ، لوحظ ان التربينات الحفاز العام كانت بطيئه نسبيا20. وفي جميع هذه الحالات ، أضيفت جزيئات الفوتوسنزيتيزر والكوبرا كالجماليات المنفصلة في الحل ، وقد يكون عدم وجود اتصال مباشر بينهما قد أعاق الكفاءة العامة للنظام. وقد تم تطوير عدد من فوتوسنزيتيزر-cobaloxime ديادس لتصحيح هذه المسالة, حيث تم ربط مجموعه متنوعة من الحساسة للضوء مباشره مع الاساسيه cobaloxime عن طريق المحوري بيريدين يجند21,22,23 و24و25و26. كان الشمس وزملاء العمل حتى ناجحه في تطوير جهاز المعادن النبيلة الحرة من خلال إدخال عزر الزنك-البورترين كفوتوسنزيتيزر24. في الاونه الاخيره ، Ott وزملاء العمل قد أدرجت بنجاح محفز cobaloxime داخل اطار معدني العضوية (MOF) التي عرضت الإنتاج H2 الضوئية في وجود صبغ العضوية27. ومع ذلك ، فان ادراج الوزن الجزيئي العالي الحساسة للضوء في اطار cobaloxime خفض الذوبان في الماء في حين تؤثر علي الاستقرار علي المدى الطويل من السدود في ظل ظروف محفزه. استقرار السدود النشطة في ظل الظروف المائية اثناء الحفز أمر حاسم لان الماء المنتشر هو مصدر جذاب من البروتونات خلال الحفز. التالي ، هناك حاجه ماسه لتطوير نظام قابل للذوبان مائي ، الهواء مستقره فوتوسنزيتيزر-cobaloxime صبغي مزدوج لإنشاء كفاءه واقتصاديه الصورة يحركها H2 الاعداد الإنتاج.
هنا في هذا العمل ، قمنا بالارتكاز علي الصبغة العضوية ستيلبين القائمة28 كما فوتوسنزيتيزر إلى النواة cobaloxime عن طريق رابط بيريدين المحوري (الشكل 1). الوزن الجزيئي الخفيف لصبغ كفل تحسين الذوبان في الماء من dyad. ويتميز هذا الجزيء الهجين ستيلبين-cobaloxime بالتفصيل عن طريق البصرية و 1H nmr الطيفي مع توضيح هيكلها واحد الكريستال. كشفت البيانات الكهروكيميائية النشطة الكهربائية H2 الإنتاج بواسطة عزر cobaloxime حتى مع الصبغة العضوية الملحقة. هذا المجمع الهجين عرضت كبيره الصورة يحركها H2 الإنتاج عندما تتعرض لأشعه الشمس المباشرة في وجود المانحة الكترون الذبيحة المناسبة في 30:70 المياه/Dmf (N, n′-ديميثيلفورماميد) حل دون اي تدهور في هيكل هجين يكمله الدراسات الطيفية البصرية. تم استخدام جهاز ضوئي بسيط ، يتكون من كاشف H2 ، اثناء الخلايا الضوئية للمجمع الهجين الذي اثبت الإنتاج المستمر ل h2 gas تحت الحالة الهوائية المائية دون اي فتره تاخر أوليه. التالي ، فان هذا المجمع الهجين لديه القدرة علي ان تصبح قاعده لتطوير الجيل القادم من الطاقة الشمسية التي يحركها H2 الإنتاج المحفزات للاستخدام الفعال للطاقة المتجددة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم دمج العضوية فوتوسنزيتيزر ستيلبين شارده بنجاح في النواة cobaloxime عن طريق الربط بيريدين المحوري (الشكل 1). هذه الاستراتيجية سمحت لنا لابتكار فوتوسنزيتيزر-cobaloxime مجمع الهجين C1. وكان وجود كل من مقياس التاكسج والصبغة العضوية في نفس الإطار الجزيئي واضحا من الهيكل البلور…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدم الدعم المالي من قبل شركه IIT Gandhinagar وحكومة الهند. ونود أيضا ان نشكر التمويل الخارجي الذي قدمه مجلس البحوث العلمية والهندسية (الصرب) (ملف رقم. EMR/2015/002462).
Materials
| 1 mm diameter glassy carbon disc electrode | ALS Co., Limited, Japan | 2412 | 1 |
| Acetone | SD fine chemicals | 25214L10 | 27 mL |
| Ag/AgCl reference electrode | ALS Co., Limited, Japan | 12171 | 1 |
| Co(dmg)2Cl2 | Lab synthesised | NA | 100 mg |
| CoCl2.6H2O | Sigma Aldrich | C2644 | 118 mg |
| d6 dmso | Leonid Chemicals | D034EAS | 650 µL |
| Deionized water from water purification system | NA | NA | 500 mL |
| Dimethyl formamide | SRL Chemicals | 93186 | 5 mL |
| Dimethyl glyoxime | Sigma Aldrich | 40390 | 232 mg |
| Gas-tight syringe | SGE syringe Leur lock | 21964 | 1 |
| MES Buffer | Sigma | M8250 | 195 mg |
| Methanol | Finar | 67-56-1 | 15 mL |
| Platinum counter electrode | ALS Co., Limited, Japan | 2222 | 1 |
| Stilbene Dye | Lab synthesised | NA | 65 mg |
| TBAF(Tetra-n-butylammonium fluoride) | TCI Chemicals | T1338 | 20 mg |
| Triethanolamine | Finar | 102-71-6 | 1 mL |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | T0886 | 38 µL |
| Trifluoroacetic acid | Finar | 76-05-1 | 10 µL |
| Whatman filter paper | GE Healthcare | 1001125 | 2 |
References
- Chu, S., Majumdar, A. Opportunities and challenges for a sustainable energy future. Nature. 488 (7411), 294-303 (2012).
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (43), 15729-15735 (2006).
- Faunce, T. A., et al. Energy and environment policy case for a global project on artificial photosynthesis. Energy and Environmental Science. 6 (3), 695-698 (2013).
- Artero, V., Fontecave, M. Solar fuels generation and molecular systems: is it homogeneous or heterogeneous catalysis. Chemical Society Reviews. 42 (6), 2338-2356 (2013).
- Artero, V. Bioinspired catalytic materials for energy-relevant conversions. Nature Energy. 2, 17131 (2017).
- Ball, M., Wietschel, M. The future of hydrogen – opportunities and challenges. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (2), 615-627 (2009).
- da Silva Veras, T., Mozer, T. S., da Costa Rubim Messeder dos Santos, D., da Silva César, A. Hydrogen: Trends, production and characterization of the main process worldwide. International Journal of Hydrogen Energy. 42 (4), 2018-2033 (2017).
- Artero, V., Fontecave, M. Some general principles for designing electrocatalysts with hydrogenase activity. Coordination Chemistry Reviews. 249 (15), 1518-1535 (2005).
- Razavet, M., Artero, V., Fontecave, M. Proton Electroreduction Catalyzed by Cobaloximes: Functional Models for Hydrogenases. Inorganic Chemistry. 44 (13), 4786-4795 (2005).
- Landrou, G., Panagiotopoulos, A. A., Ladomenou, K., Coutsolelos, A. G. Photochemical hydrogen evolution using Sn-porphyrin as photosensitizer and a series of Cobaloximes as catalysts. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. 20, 534-541 (2016).
- Panagiotopoulos, A., Ladomenou, K., Sun, D., Artero, V., Coutsolelos, A. G. Photochemical hydrogen production and cobaloximes: the influence of the cobalt axial N-ligand on the system stability. Dalton Transactions. 45 (15), 6732-6738 (2016).
- Wakerley, D., Reisner, E. Development and understanding of cobaloxime activity through electrochemical molecular catalyst screening. Physical Chemistry Chemical Physics. 16 (12), 5739-5746 (2014).
- Hawecker, J., Lehn, J. M., Ziessel, R. Efficient homogeneous photochemical hydrogen generation and water reduction mediated by cobaloxime or macrocyclic cobalt complexes. Nouveau Journal de Chimie. 7 (5), 271-277 (1983).
- Du, P., Knowles, K., Eisenberg, R. A Homogeneous System for the Photogeneration of Hydrogen from Water Based on a Platinum(II) Terpyridyl Acetylide Chromophore and a Molecular Cobalt Catalyst. Journal of the American Chemical Society. 130 (38), 12576-12577 (2008).
- Du, P., Schneider, J., Luo, G., Brennessel, W. W., Eisenberg, R. Visible Light-Driven Hydrogen Production from Aqueous Protons Catalyzed by Molecular Cobaloxime Catalysts. Inorganic Chemistry. 48 (11), 4952-4962 (2009).
- To, W. P., et al. Luminescent Organogold(III) Complexes with Long-Lived Triplet Excited States for Light-Induced Oxidative C-H Bond Functionalization and Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition. 51 (11), 2654-2657 (2012).
- Zhang, P., et al. Phosphine Coordination to a Cobalt Diimine–Dioxime Catalyst Increases Stability during Light-Driven H2 Production. Inorganic Chemistry. 51 (4), 2115-2120 (2012).
- McCormick, T. M., et al. Reductive Side of Water Splitting in Artificial Photosynthesis: New Homogeneous Photosystems of Great Activity and Mechanistic Insight. Journal of the American Chemical Society. 132 (44), 15480-15483 (2010).
- Zhang, P., et al. Photocatalytic Hydrogen Production from Water by Noble-Metal-Free Molecular Catalyst Systems Containing Rose Bengal and the Cobaloximes of BFx-Bridged Oxime Ligands. The Journal of Physical Chemistry C. 114 (37), 15868-15874 (2010).
- Dalle, K. E., Warnan, J., Leung, J. J., Reuillard, B., Karmel, I. S., Reisner, E. Electro- and Solar-Driven Fuel Synthesis with First Row Transition Metal Complexes. Chemical Reviews. 119 (4), 2752 (2019).
- Fihri, A., Artero, V., Razavet, M., Baffert, C., Leibl, W., Fontecave, M. Cobaloxime-Based Photocatalytic Devices for Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition. 47 (3), 564-567 (2008).
- Li, C., Wang, M., Pan, J., Zhang, P., Zhang, R., Sun, L. Photochemical hydrogen production catalyzed by polypyridyl ruthenium-cobaloxime heterobinuclear complexes with different bridges. Journal of Organometallic Chemistry. 694 (17), 2814-2819 (2009).
- Mulfort, K. L., Tiede, D. M. Supramolecular Cobaloxime Assemblies for H2 Photocatalysis: An Initial Solution State Structure-Function Analysis. The Journal of Physical Chemistry B. 114 (45), 14572-14581 (2010).
- Zhang, P., Wang, M., Li, C., Li, X., Dong, J., Sun, L. Photochemical H2 production with noble-metal-free molecular devices comprising a porphyrin photosensitizer and a cobaloxime catalyst. Chemical Communications. 46 (46), 8806-8808 (2009).
- McCormick, T. M., Han, Z., Weinberg, D. J., Brennessel, W. W., Holland, P. L., Eisenberg, R. Impact of Ligand Exchange in Hydrogen Production from Cobaloxime-Containing Photocatalytic Systems. Inorganic Chemistry. 50 (21), 10660-10666 (2011).
- Veldkamp, B., Han, W. S., Dyar, S., Eaton, S., Ratner, M., Wasielewski, M. Photoinitiated multi-step charge separation and ultrafast charge transfer induced dissociation in a pyridyl -linked photosensitizer-cobaloxime assembly. Energy & Environmental Science. 6 (6), 1917-1928 (2013).
- Roy, S., Bhunia, A., Schuth, N., Haumann, M., Ott, S. Light-driven hydrogen evolution catalyzed by a cobaloxime catalyst incorporated in a MIL-101(Cr) metal-organic framework. Sustainable Energy & Fuels. 2 (6), 1148-1152 (2018).
- Song, T., Yu, J., Cui, Y., Yang, Y., Qian, G. Encapsulation of dyes in metal-organic frameworks and their tunable nonlinear optical properties. Dalton Transactions. 45 (10), 4218-4223 (2016).
- Schrauzer, G. N., Parshall, G. W., Wonchoba, E. R. Bis(Dimethylglyoximato)Cobalt Complexes: (“Cobaloximes”). Inorganic Syntheses. , 61-70 (2007).
- Sheldrick, G. M. Program for Empirical Absorption Correction of Area Detector Data. Sadabs. , (1996).
- Gruene, T., Hahn, H. W., Luebben, A. V., Meilleur, F., Sheldrick, G. M. Refinement of macromolecular structures against neutron data with SHELXL2013. Journal of Applied Crystallography. 47, 462-466 (2014).
- Kumari, B., Paramasivam, M., Dutta, A., Kanvah, S. Emission and Color Tuning of Cyanostilbenes and White Light Emission. ACS Omega. 3 (12), 17376-17385 (2018).
- Schrauzer, G. N., Lee, L. P., Sibert, J. W. Alkylcobalamins and alkylcobaloximes. Electronic structure, spectra, and mechanism of photodealkylation. Journal of the American Chemical Society. 92 (10), 2997-3005 (1970).
- Groom, C. R., Bruno, I. J., Lightfoot, M. P., Ward, S. C. The Cambridge Structural Database. Acta Crystallographica Section B, Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 72, 171-179 (2016).
- Das, A., Han, Z., Haghighi, M. G., Eisenberg, R. Photogeneration of hydrogen from water using CdSe nanocrystals demonstrating the importance of surface exchange. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (42), 16716-16723 (2013).
- Das, A., Han, Z., Brennessel, W. W., Holland, P. L., Eisenberg, R. Nickel Complexes for Robust Light-Driven and Electrocatalytic Hydrogen Production from Water. ACS Catalysis. 5 (3), 1397-1406 (2015).
- Eckenhoff, W. T., Eisenberg, R. Molecular systems for light driven hydrogen production. Dalton Transactions. 41 (42), 13004-13021 (2012).
- Dutta, A., Appel, A. M., Shaw, W. J. Designing electrochemically reversible H 2 oxidation and production catalysts. Nature Reviews Chemistry. 2 (9), 244 (2018).
- Savéant, J. M. Proton Relays in Molecular Catalysis of Electrochemical Reactions: Origin and Limitations of the Boosting Effect. Angewandte Chemie International Edition. 58 (7), 2125-2128 (2019).
- Khandelwal, S., Zamader, A., Nagayach, V., Dolui, D., Mir, A. Q., Dutta, A. Inclusion of Peripheral Basic Groups Activates Dormant Cobalt-Based Molecular Complexes for Catalytic H2 Evolution in Water. ACS Catalysis. , 2334-2344 (2019).
- Staffell, I., et al. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy & Environmental Science. 12 (2), 463-491 (2019).
