Er zijn door onderzoekers verschillende moleculaire systemen ontwikkeld voor foto-geïnduceerde (dwz door licht aangedreven) elektronenoverdracht, waaronder supramoleculen, hybride materialen en organische polymere systemen. Hoewel deze systemen voldoen aan het afstandscriterium dat de elektronendonor en -acceptor nodig hebben voor een efficiënte elektronenoverdracht, schieten ze vaak tekort bij het accommoderen van moleculaire bewegingen, vooral in vloeibare omgevingen. Is er een haalbare aanpak om een ​​systeem te ontwerpen dat elektronenoverdracht mogelijk maakt zonder aan deze beperkingen te bezwijken?

Dit probleem is specifiek aangepakt in een recent onderzoek door een team van onderzoekers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Onder leiding van universitair hoofddocent Kosuke Okeyoshi en onder meer universitair hoofddocent Shun Nishimura en graduate course student Reina Hagiwara heeft het team nu een copolymeer-geconjugeerd nanokatalytisch systeem ontwikkeld om de actieve elektronenoverdracht te verbeteren voor een verhoogde foto-geïnduceerde waterstofproductie.

Hun onderzoek, gepubliceerd in Chemical Communications , heeft tot doel de beperkingen van de huidige foto-geïnduceerde elektronenoverdrachtssystemen te overwinnen. Het doel van de onderzoekers was om een ​​efficiënt katalysatorsysteem op te zetten dat in staat is de elektronenoverdracht te bevorderen met slechts een minimaal aantal nevenreacties.

Dr. Okeyoshi legt uit:"Dit systeem heeft potentiële toepassingen voor de waterstofeconomie in de praktijk. Door het systeem te integreren met een zuurstofgenererend systeem wordt foto-geïnduceerde watersplitsing (kunstmatige fotosynthese) verwacht."

In dit opzicht is viologen een bekend molecuul dat zowel een efficiënte elektronendonor als -acceptor is. De onderzoekers hadden deze eigenschap van viologen eerder benut om een ​​elektronenoverdrachtssysteem te ontwikkelen, dat het copolymeer poly(N-isopropylacrylamide-co-Viologen) (PNV) en gemodificeerde platina nanodeeltjes (Pt NPs) omvatte.

In dit systeem reageert de temperatuurafhankelijke faseovergang in PNV op de redoxveranderingen van viologen, waardoor een cyclisch elektronenoverdrachtsproces mogelijk wordt voor continue waterstofgeneratie. Hoewel de PNV's in de buurt van de Pt NP's deelnamen aan het elektronenoverdrachtsproces, konden vrije PNV-moleculen die zich verder weg bevonden ook elektronen accepteren.

Om dit probleem aan te pakken hebben de onderzoekers nu een copolymeer-geconjugeerd nanokatalytisch systeem ontworpen met behulp van het ternaire willekeurige copolymeer poly(NIPAAm-co-Acrylamide-co-Viologen) of PNAV, dat werd gesynthetiseerd door het molecuulgewicht en de introductieverhouding van de stof nauwkeurig te controleren. polymere eenheden.

Een opmerkelijk kenmerk van PNAV is het temperatuurgevoelige gedrag, gekenmerkt door een faseovergang die afhankelijk is van de temperatuur. Dit unieke copolymeer vertoont een waarneembare verschuiving, oscillerend tussen een gezwollen toestand in zijn geoxideerde vorm (PNAV ²⁺ ) en een gekrompen toestand in zijn gereduceerde vorm (PNAV ⁺ ).

Bovendien brengt de verbinding van PNAV met Pt NP's een reductieproces met zich mee, dat controle geeft over de afstand tussen de viologen en de Pt NP's. Concreet blijkt de precieze zwelling/krimping van PNAV op de Pt NPs cruciaal voor het succes van het voorgestelde cyclische elektronenoverdrachtsproces op een gegeven afstand.

De huidige innovatie maakt gebruik van de voordelen van een op stimuli reagerende polymeerketen om dynamische elektronenoverdracht te bereiken. Het copolymeer-geconjugeerde nanokatalytische systeem is niet alleen veelbelovend voor het vergemakkelijken van actieve elektronenoverdracht bij foto-geïnduceerde waterstofgeneratie, maar demonstreert ook potentiële bruikbaarheid bij kunstmatige fotosynthesereacties, zoals foto-geïnduceerde watersplitsing. Bovendien wordt verwacht dat deze innovatieve aanpak bredere toepassingen zal hebben dan fotochemische reacties en verschillende domeinen zal omvatten, waaronder elektrochemische reacties en macromoleculaire herkenning.

Het duurzame cyclische elektronenoverdrachtsproces dat door deze technologie mogelijk wordt gemaakt, biedt dus kansen voor vooruitgang in diverse wetenschappelijke disciplines. "De implicaties op de lange termijn omvatten de bevordering van een waterstofenergiemaatschappij die wordt aangedreven door zonlicht en de productie van bio-geïnspireerde zachte materialen als producten", besluit Dr. Okeyoshi.

Meer informatie: Reina Hagiwara et al., Nauwkeurig ontwerp van copolymeer-geconjugeerde nanokatalysatoren voor actieve elektronenoverdracht, Chemische communicatie (2023). DOI:10.1039/D3CC05242G

Journaalinformatie: Chemische communicatie

Aangeboden door Japan Advanced Institute of Science and Technology