Onderzoekers van de Llobet-groep hebben een nieuw moleculair materiaal ontwikkeld dat is gemaakt van oligomeren en dit hebben gebruikt als katalysator bij de oxidatie van water. het bereiken van ongekende stroomdichtheden voor moleculaire katalysatoren. Het artikel "Wateroxidatie-elektrokatalyse met behulp van rutheniumcoördinatie-oligomeren geadsorbeerd op meerwandige koolstofnanobuizen, " is gepubliceerd in Natuurchemie .

De generatie van elektro-anoden en kathoden voor watersplitsende apparaten op basis van moleculaire complexen die op vaste oppervlakken zijn verankerd, wint aan populariteit dankzij hun veelzijdige en modulaire eigenschappen door middel van ligandontwerp. Na bestudering van het katalytische gedrag van oligomeren met de algemene formule {[Ru(tda)(4, 4'- bpy)]n(4, 4'-bpy)} (waarbij n 1 is, 2, 4, 5 of 15), de wetenschappers van ICIQ's Llobet-team wilden ze op grafietoppervlakken verankeren. "We besloten om een ​​oligomeer materiaal te ontwerpen op basis van onze krachtige Ru(tda)-katalysator om van homogene naar heterogene toepassingen te gaan. We moesten de katalysator op een oppervlak verankeren om een ​​tastbare toepassing op watersplitsende apparaten te vinden, " legt Marcos Gil-Sepulcre uit, postdoctoraal onderzoeker en groepscoördinator bij de Llobet-groep en eerste co-auteur van het artikel.

In samenwerking met internationale partners zoals Johannes Elemans van het Institute for Molecules and Materials Radboud University en Christina Scheu van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH in Düsseldorf, de wetenschappers voerden meerdere microscopiestudies uit om de hybride materialen te karakteriseren. In aanvulling, Begrazingsincidentie kleine hoek röntgenverstrooiing (GIWAXS) werd uitgevoerd in de Alba synchrotron door Marc Malfois en Eduardo Solano. Verder, dichtheid-functionele theorie (DFT) berekeningen, uitgevoerd door de ICIQ Maseras-groep, om de aard van de interactie tussen de oligomeren en de grafietoppervlakken te onderzoeken. Röntgenabsorptiespectroscopische (XAS) metingen werden ook gebruikt, in samenwerking met de groep van D. Moonshiram bij IMDEA Nanociencia, om de oligomeren aan de grafietoppervlakken te analyseren, en evalueren hun lot tijdens en na katalyse. Op deze manier bevestigden de onderzoekers de moleculaire aard van het oligomeer en ontdekten ze dat het wordt geadsorbeerd aan het grafietoppervlak via aromatische katalysator-oppervlak C-H-π-interacties - een verankeringsstrategie die tot nu toe nooit is beschreven voor moleculaire katalysatoren.

Een enkel monomeer van het gebruikte oligomeer kan niet verankeren omdat de interacties met het oppervlak te zwak zijn. Kracht vinden in aantallen, zodra meerdere eenheden worden geïntroduceerd, het grote aantal C-H-π-interacties stabiliseert de hele keten. De conformatie van het hybride materiaal (een nanobuis omringd door oligomeren) is de reden achter zijn hoge efficiëntie:alle rutheniumatomen in de oligomeren zijn actieve katalytische centra - in tegenstelling tot het dumpen van tonen van oxiden op elektroden zoals gewoonlijk wordt gedaan in de materiaalkunde.

Het resulterende hybride moleculaire materiaal gedraagt ​​zich als een robuuste en krachtige elektro-anode voor de wateroxidatiereactie en bereikt ongekende stroomdichtheden voor moleculaire katalysatoren in het hele pH-bereik, maar vooral bij neutrale pH. "Voor zover we weten, er is geen coördinatiepolymeer, MOF of COF, of organometallisch materiaal dat werkt onder neutrale omstandigheden, geeft deze stromen en is stabiel, " beweert Gil-Sepulcre.

Het werk biedt de basis voor het ontwerpen van robuuste en efficiënte hybride moleculaire elektro-anodematerialen voor de oxidatie van water op basis van Ru-complexen, dat kan worden uitgebreid tot andere overgangsmetalen en andere katalytische reacties. Het team werkt al aan de implementatie van het hybride materiaal op foto-elektrochemische cellen om de toepassingen ervan in een watersplitsend apparaat te testen.