Desenvolvendo híbridos photosensitizer-Cobaloxime para produção solar-driven H₂ em condições aeróbias aquosas

No mundo moderno, os combustíveis fósseis, como o carvão, o petróleo e o gás natural, fornecem uma parte maioritária da energia. No entanto, eles produzem uma quantidade abundante de CO₂ durante a colheita de energia para impactar negativamente o clima global¹. Nos próximos anos, um aumento acentuado na demanda de energia é previsto em todo o mundo, seguindo o crescimento contínuo da população e melhoria constante no estilo de vida humano. Assim, há uma busca ativa para um recurso de energia alternativa adequado para corresponder à exigência de energia global. Os recursos energéticos renováveis, como energia solar, eólica e das marés, surgiram como uma das melhores soluções devido ao seu processo de transdução de energia de carbono zero favorável ao meio ambiente². No entanto, a natureza intermitente destes recursos energéticos limitou até agora a sua extensa aplicação. Uma possível solução deste problema pode ser encontrada na biologia; a energia solar é transformada eficientemente na energia química durante a fotossíntese³. Seguindo esta pista, os pesquisadores desenvolveram estratégias fotossintéticas artificiais para armazenar energia solar em ligações químicas após uma série de reações de ativação de pequenas moléculas^4,5. A molécula H₂ tem sido considerada um dos mais atraentes vetores químicos devido à sua alta densidade de energia e simplicidade de sua transformação química^6,7.

A presença de um fotossensibilizador e um catalisador de produção H₂ são essenciais para uma configuração de produção de h₂ acionada por energia solar ativa. Aqui neste trabalho, vamos focar o complexo molecular baseado em cobalto cobaloxime para o segmento catalítico. Tipicamente, um centro de cobalto coordenado por hexa é acoplado em uma geometria plana quadrada de N₄ , derivada dos ligantes de dimetilglicoxime (DMG), em cobaloximes. Os CL^– íons complementares, moléculas solventes (como água ou acetonitrila) ou derivados de piridina se ligam nas posições axiais residuais⁸. Os cobaloximes são muito conhecidos por eletrocatálise de produção ativa H₂ e sua reatividade pode ser ajustada acrescentando funcionalidades variáveis na piridina axial^9,10,11,12 . As sínteses relativamente não complicadas, a tolerância ao oxigênio condições catalíticas e a resposta catalítica moderada de cobaloximes levaram os pesquisadores a explorarem sua reatividade de produção fotocatalítica H₂ . O grupo de Hawecker era o pioneiro em demonstrar a atividade de produção Light-driven de H₂ dos cobaloximes usando o ru (polypyridyl)-photosensitizadores baseados¹³. Eisenberg e seus colegas de trabalho utilizaram fotossensibilizantes inorgânicos baseados em platina (pt) para induzir a produção fotocatalítica de H₂ em conjunto com catalisadores de cobaloxima^14,15. Posteriormente, o grupo Che utilizou fotossensibilizador organo-ouro para replicar atividade semelhante¹⁶. Fontecave e ARTERO ampliaram a gama de fotossensibilizadores aplicando moléculas baseadas em Iridium (ir)¹⁷. As aplicações práticas desses sistemas fotocatalíticos estavam em direção a um bloqueio de estrada devido ao uso de fotossensibilizadores de metais caros. Os grupos de pesquisa Eisenberg e Sun têm combatido que, independentemente de conceber orgânico baseado em corante foto-driven H₂ sistemas de produção^18,19. Apesar da produção bem sucedida da foto-conduzida H₂ por todos estes sistemas, observou-se que os turnovers catalíticos totais eram relativamente lentos²⁰. Em todos estes casos, as moléculas do fotossensibilizador e do cobaloxime foram adicionadas como as metades separadas na solução, e a falta da comunicação direta entre eles pôde ter impedido a eficiência total do sistema. Um número de díades do photosensitizer-cobaloxime foi desenvolvido para retificar esta edição, onde uma variedade de photosensitizadores estiveram lig diretamente com o núcleo do cobaloxime através do ligante axial da piridina^{21,22,23 ,24,25,26}. Sun e os colegas de trabalho eram mesmo bem sucedidos em desenvolver um dispositivo livre do nobre-metal introduzindo um motivo do Zn-Porphyrin como um fotossensibilizador²⁴. Recentemente, Ott e colegas de trabalho incorporaram com sucesso o catalizador do cobaloxime dentro de uma estrutura orgânica do metal (MOF) que exibiu a produção photocatalítica de H₂ na presença do corante orgânico²⁷. No entanto, a inclusão dos fotossensibilizantes de alto peso molecular no quadro de cobaloxima reduziu a solubilidade da água, afetando a estabilidade a longo prazo das díades condições catalíticas. A estabilidade das díades ativas em condições aquosas durante a catálise é crucial, pois a água onipresente é uma fonte atrativa de prótons durante a catálise. Assim, há uma necessidade séria para o desenvolvimento de um solúvel aquoso, ar-estável photosensitizer-cobaloxime díade sistema para estabelecer um eficiente e econômico foto-driven H₂ produção de configuração.

Aqui neste trabalho, ancoramos um corante orgânico baseado em stilbene²⁸ como fotossensibilizador para o núcleo de cobaloxima através do ligante de piridina axial (Figura 1). O peso molecular claro da tintura garantiu a solubilidade melhorada da água da díade. Esta molécula híbrida do stilbene-cobaloxime foi caracterizada no detalhe através da espectroscopia ótica e de ¹H NMR junto com sua única elucidação da estrutura de cristal. Os dados eletroquímicos revelaram a produção eletrocatalítica ativa do H₂ pelo motivo do cobaloxime mesmo com o corante orgânico acrescentado. Este complexo híbrido exibiu a produção foto-conduzida significativa de H₂ quando expor à luz solar direta na presença de um doador de elétron sacrificial apropriado em uma solução 30:70 Water/Dmf (N, n′-dimethylformamide) sem nenhuma degradação do estrutura híbrida como complementada por estudos de espectroscopia óptica. Um dispositivo fotocatalítico simples, consistindo em um detetor de H₂ , foi empregado durante o fotocatálise do complexo híbrido que demonstrou a produção contínua do gás de H₂ a condição aeróbia aquosa sem nenhum período preliminar do lag. Assim, este complexo híbrido tem o potencial de se tornar a base para o desenvolvimento da próxima geração de catalisadores de produção de H₂ movidos a energia solar para uma utilização eficiente de energias renováveis.