氧化锰催化剂光活化 Polyoxometalate 基光响应膜的制备
1Department of Applied Chemistry,The University of Tokyo, 2Clean Energy Research Center,University of Yamanashi, 3Biofunctional Catalyst Research Team,RIKEN Center for Sustainable Resource Science, 4Earth-Life Science Institute (ELSI),Tokyo Institute of Technology, 5Department of Materials Science and Engineering,Tokyo Institute of Technology, 6National Institute for Materials Science
Summary
在这里, 我们提出了一个协议, 以准备电荷转移染色体基于 polyoxometalate/聚合物复合膜。
Abstract
本文提出了一种用 polyoxotungstate (12O403-)、过渡金属离子 (Ce3 +或 Co2 +) 和有机聚合物制备电荷转移染色体的方法, 其目的是实现光激活。氧演化氧化锰催化剂, 是人工光合作用的重要组成部分。采用交联技术获得了高12O403含量的自立膜。采用红外光谱和显微拉曼光谱法, 对12O403-聚合物基体中的密码的加入和结构保留进行了验证, 并通过紫外-可见光谱研究了光学特性, 揭示了金属-金属电荷转移 (MMCT) 单元的成功构造。在 MnOx氧进化催化剂沉积后, 可见光照射下的光电流测量验证了顺序电荷转移、锰→ MMCT 单元→电极, 光电流强度与氧化还原反应一致。供方金属 (Ce 或 Co) 的潜力。该方法为制备具有光功能材料的催化剂和光子吸收部件的集成系统提供了一种新的策略。
Introduction
利用人工光合作用或太阳能电池开发太阳能转换系统是必要的, 以便提供可替代的能源, 以改善全球气候和能源问题1、2、 3,4。光功能材料可以大致分为两组, 基于半导体的系统和基于有机分子的系统。虽然已经开发了许多不同的系统类型, 但仍需改进, 因为半导体系统缺乏精确的电荷转移控制, 而有机分子系统在光辐照。然而, 使用无机分子作为电荷转移单元的组成部分可以改善这些各自的问题。例如, 在介孔二氧化硅表面接枝的氧化桥型金属系统可以通过光辐照诱导金属-金属电荷转移 (MMCT), 并触发光化学氧化还原反应5,6,7,8,9。
我们的小组将单一原子系统扩展到一个多核系统, 利用 polyoxometalate (POM) 作为电子受体10,11,12, 并期望使用多核系统将是有利于诱导和控制多电子转移反应, 是能量转换中的一个重要概念。在本文所描述的协议中, 我们提出了用于准备基于 POM 的 MMCT 系统的详细方法, 它在聚合物矩阵中工作, 正如我们最近报告的13。膜型结构有利于阳极和阴极反应产物的分离。采用交联法, 即使具有高聚甲醛含量, 也能够形成自立膜。光电测量证明, 适当选择供体金属是触发目标的关键。POM/供体金属系统作为一种光敏剂在可见光照射下活化多电子转移催化剂。虽然这项工作利用 MnOx作为一个多电子转移催化剂的水氧化反应, 这一光功能系统也适用于其他类型的反应, 利用不同的, 捐助金属和催化剂。
Protocol
在使用化学品之前, 最好参考所有相关的材料安全数据表 (MSDS), 因为这些合成中的一些使用是高酸性和腐蚀性的。此外, 在这项工作中使用的一种聚合物 (聚丙烯酰胺) 可能含有致癌单体, 丙烯酰胺。使用个人防护设备 (安全眼镜, 手套, 实验室大衣, 全长长裤, 闭合脚趾鞋), 以防止伤害化学品或热。在进行交联过程后, 应将膜样品储存在黑暗条件下的水中, 以避免干燥和任何不必要的光化学反应的发生?…
Representative Results
通过红外光谱和显微拉曼光谱 (图 1) 证实了聚合物基体中 POM 结构的保留;观察了与 pom Keggin 结构相对应的振动峰, 发现聚合物的峰值由于与 pom 的氢键结合而转移。光谱学分析对于确定电荷转移单元的成功构造非常有用, 而且样品的表面颜色变化也证实了这一点 (图 2)。它也得到了紫外-可见光谱和光电测量 (图 3</s…
Discussion
应用海伦等的交联方法是至关重要的。14开发一种独立的膜。本研究以聚醋酸乙烯为基聚合物, 对 H312O40进行聚集体, 防止自立膜的形成。然而, 当利用 Nafion 作为基聚合物制备膜时, 与 Ce3 +和 Co2 +的反应没有进展, 虽然已经实现了自立膜的制备。在本研究中, 为了保证整个膜的电子传递, 加载量被修改为 80 wt% H3密码12O<s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
a.y. 获得了东京大学机械系统创新项目全球卓越中心的财政支持, 并得到了东京大学博士学位研究的东京都补助金。这项工作部分是由 jsp KAKENHI 资助的青年科学家 (B) (17K17718) 所支持的。
Materials
| Poly(vinyl Alcohol) 1000, Completely Hydrolyzed | Wako | 162-16325 | |
| Polyacrylamide, Mv 6,000,000 | Polyaciences, Inc. | 2806 | May contain carcinogenic monomer, acrylamide. |
| 12 Tungsto(VI)phosphoric Acid n-Hydrate | Wako | 164-02431 | Highly acidic |
| Acetone 99.5 + %(GC) | Wako | 012-00343 | |
| 25% Glutaraldehyde Solution | Wako | 079-00533 | |
| Hydrochloric Acid 35-37% | Wako | 080-01066 | |
| Cerium(III) Nitrate Hexahydrate 98 + %(Ti) | Wako | 031-09732 | |
| Cobalt(II) Chloride Hexahydrate 99 + %(Ti) | Wako | 036-03682 | |
| Pottasium Permanganate 99.3 + %(Ti) | Wako | 167-04182 | Highly oxydative |
| Sodium Thiosulfate Pentahydrate 99 + %(Ti) | Wako | 197-03585 | |
| Automatic spray gun | Lumina | ST-6 |
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Cite This Article
Yamaguchi, A., Takashima, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Preparation of Polyoxometalate-based Photo-responsive Membranes for the Photo-activation of Manganese Oxide Catalysts. J. Vis. Exp. (138), e58072, doi:10.3791/58072 (2018).