Jump to content

Катализ окисления воды

Рентгеноструктурная кристаллическая структура ядра Mn 4 O 5 Ca кислородвыделяющего комплекса Фотосистемы II при разрешении 1,9 Å. [ 1 ]

Катализ окисления воды (WOC) – это ускорение (катализ) превращения воды в кислород и протоны:

2 Ч 2 О → 4 Ч + + 4 и + О 2

Многие катализаторы эффективны, как гомогенные , так и гетерогенные . фотосинтезе . Ярким примером является комплекс, выделяющий кислород при Нет смысла генерировать кислород путем окисления воды, поскольку кислород легко получить из воздуха. Вместо этого интерес к окислению воды мотивирован его связью с расщеплением воды , которое обеспечит «солнечный водород », т.е. окисление воды будет генерировать электроны и протоны для производства водорода. [ 2 ] Идеальный WOC должен быстро работать при низком перенапряжении, обладать высокой стабильностью и иметь низкую стоимость, поскольку он состоит из нетоксичных компонентов.

Механистические и энергетические принципы

[ редактировать ]

Воду труднее окислить, чем сопряженный с ней основной гидроксид . Гидроксид стабилизируется путем координации с катионами металлов. Некоторые гидроксиды металлов, имеющие окислительно-восстановительные металлические центры, могут окисляться с образованием оксокомплексов металлов . Атака воды на оксоцентры металлов представляет собой один из путей образования связи ОО, приводящей к образованию дикислорода. Альтернативно, решающий этап образования ОО-связи может возникнуть в результате соединения подходящим образом расположенных пар гидроксоцентров металлов. Молекулярный механизм ОЭК не выяснен.

Превращение гидроксокомплексов даже металлов в О 2 требует очень сильных окислителей. При фотосинтезе такие окислители обеспечиваются электронными дырками на катион-радикалах порфирина. Для применения в устройствах желаемым окислителем является фотоэлектрический материал. для скрининга WOC является нитрат церия-аммония Типичным акцептором электронов .

Солнечные панели являются желательными источниками энергии для расщепления воды , включая катализ окисления воды.

Гомогенный катализ

[ редактировать ]

Рутениевые комплексы

[ редактировать ]

Ряд аквакомплексов рутения катализируют окисление воды. Большинство катализаторов содержат бипиридиновые и терпиридиновые лиганды. [ 3 ] [ 4 ] [ 2 ] Катализаторы, содержащие пиридин-2-карбоксилат, проявляют скорость (300 с) −1 ) сравнимо с фотосистемой II . [ 5 ] [ 6 ] Работы в этой области открыли множество новых полипиридильных лигандов. [ 7 ] [ 8 ]

«Синий димер» {[Ru(бипиридин) 2 (OH 2 )] 2 O} 4+ и два производных являются катализаторами (и промежуточными продуктами) окисления воды. [ 2 ]

Комплексы кобальта и железа

[ редактировать ]

Ранние образцы WOC на основе кобальта страдали нестабильностью. [ 9 ] Гомогенный WOC [Co(Py 5 )(H 2 O)](ClO 4 ) 2 [ 10 ] действует за счет переноса электронов, связанного с протонами, с образованием [Co III --ОЙ] 2+ разновидность, которая при дальнейшем окислении образует Co IV средний. Образующийся промежуточный продукт реагирует с водой с выделением O 2 . Кобальт- полиоксометаллатный комплекс [Co 4 (H 2 O) 2 (α-PW 9 O 34 ) 2 ] 10− является высокоэффективным WOC. [ 11 ]

Некоторые комплексы железа катализируют окисление воды. Водорастворимый комплекс [Fe(OTf) 2 (Me 2 Pytacn)] (Pytacn=пиридинзамещенный триметилтриазациклононан ; OTf= трифлат ) является эффективным WOC. Было обнаружено, что концентрация катализатора и окислителя сильно влияет на процесс окисления. Многие родственные комплексы с цис-лабильными центрами являются активными катализаторами. Было обнаружено, что большинство комплексов подвергаются деградации в течение нескольких часов. Более высокая стабильность молекулярного катализатора может быть достигнута с использованием надежных клатрохелатных лигандов, которые стабилизируют высокие степени окисления железа и предотвращают быструю деградацию катализатора. [ 12 ] Количество и стереохимия реакционноспособных координационных центров Fe были оценены, но появилось мало рекомендаций. [ 13 ]

Иридиевые комплексы

[ редактировать ]

Комплексы [Ir(ppy) 2 (OH 2 ) 2 ] + (ppy = 2-фенилпиридин) обладают высокими показателями оборота, но низкой каталитической скоростью. Замена ppy на Cp* (C 5 Me 5 ) приводит к увеличению каталитической активности, но снижает число оборотов. [ 14 ] Было обнаружено, что нуклеофильная атака воды на формы Ir=O ответственна за образование O 2 . [ 15 ]

Гетерогенный катализ

[ редактировать ]

Оксид иридия представляет собой стабильный объемный катализатор WOC с низким перенапряжением. [ 16 ]

Оксидная пленка на основе Ni выделяет кислород в квазинейтральных условиях при перенапряжении ~ 425 мВ и демонстрирует длительную стабильность. [ 17 ] Рентгеновская спектроскопия выявила наличие ди-мю-оксидных мостиков между Ni III IV ионы, но не было обнаружено никаких признаков образования моно-μ-оксидных мостиков между ионами. [ 18 ] Подобные структуры можно обнаружить в пленках Co-WOC и катализаторах Mn-WOC. [ 19 ] [ 20 ]

оксиды кобальта (Co 3 O 4 ) действуют по тому же принципу, что и другие соли кобальта. Было исследовано, что [ 21 ] Фосфаты кобальта также являются активными WOC при нейтральном pH. [ 22 ] Стабильные и высокоактивные WOC можно получить путем адсорбции Co. II на наночастицах кремнезема. [ 23 ]

Соединения шпинели также очень эффективно окисляют воду. Когда наноразмерные шпинели наносятся на углеродные материалы гидротермальным способом с последующим дальнейшим восстановлением, может проявляться высокая эффективность электрохимического расщепления воды. [ 24 ] [ 25 ]

Дополнительные отзывы

[ редактировать ]
  • Мейер, Т.Дж., Химические подходы к искусственному фотосинтезу. Отчеты о химических исследованиях 1989, 22, 163–170.
  • Бальзани, В.; Креди, А.; Вентури М. Фотохимическое преобразование солнечной энергии. ChemSusChem 2008, 1, 26–58.
  • Сала, X.; Ромеро, И.; Родригес, М.; Эскриш, Л.; Льобет А. Молекулярные катализаторы, окисляющие воду до дикислорода. Angewandte Chemie International Edition 2009, 48, 2842–2852.
  • Грацель М. Фотоэлектрохимические ячейки. Природа 2001, 414, 338–344.
  • Айзенберг, Р.; Грей, Х.Б., Предисловие о производстве кислорода. Неорганическая химия 2008, 47, 1697–1699.
  • Сан, Л.; Хаммарстрем, Л.; Акермарк, Б.; Стайринг С. На пути к искусственному фотосинтезу: химия рутения и марганца для производства энергии. Обзоры химического общества 2001, 30, 36–49.
  • Гаст, Д.; Мур, штат Техас; Мур, А.Л., Солнечное топливо посредством искусственного фотосинтеза. Отчеты о химических исследованиях 2009, 42, 1890–1898.
  1. ^ Умена, Ясуфуми; Каваками, Кейсуке; Шен, Цзянь-Рен; Камия, Нобуо (май 2011 г.). «Кристаллическая структура фотосистемы II, выделяющей кислород, с разрешением 1,9 Å» (PDF) . Природа . 473 (7345): 55–60. Бибкод : 2011Природа.473...55У . дои : 10.1038/nature09913 . ПМИД   21499260 . S2CID   205224374 .
  2. ^ Jump up to: а б с Лю, Ф.; Консепсьон, Джей-Джей; Юрсс, Дж.В.; Кардолачча, Т.; Темплтон, Дж. Л.; Мейер, Ти Джей (2008). «Механизмы окисления воды от синего димера до фотосистемы II». Неорганическая химия . 47 (6): 1727–1752. дои : 10.1021/ic701249s . ПМИД   18330966 .
  3. ^ Вада, Т.; Цуге, К.; Танака, К. (2000). «Электрохимическое окисление воды до дикислорода, катализируемое окисленной формой комплекса бис(рутений – гидроксо) в H 2 O». Angewandte Chemie, международное издание . 39 (8): 1479–1482. doi : 10.1002/(SICI)1521-3773(20000417)39:8<1479::AID-ANIE1479>3.0.CO;2-4 . ПМИД   10777648 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  4. ^ Сенс, К.; Ромеро, И.; Родригес, М.; Льобет, А.; Парелла, Т.; Бенет-Бухгольц, Дж. (2004). «Новый комплекс Ru, способный каталитически окислять воду до молекулярного дикислорода». Журнал Американского химического общества . 126 (25): 7798–7799. дои : 10.1021/ja0486824 . ПМИД   15212526 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Дуань, Л.; Фишер, А.; Сюй, Ю.; Сан, Л. (2009). «Изолированный семикоординационный димерный комплекс Ru(IV) с [HOHOH]-мостиковым лигандом в качестве промежуточного продукта для каталитического окисления воды». Журнал Американского химического общества . 131 (30): 10397–10399. дои : 10.1021/ja9034686 . ПМИД   19601625 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Дуань, Л.; Бозоглян, Ф.; Мандал, С.; Стюарт, Б.; Привалов Т.; Льобет, А.; Сан, Л. (2012). «Молекулярный рутениевый катализатор с активностью окисления воды, сравнимой с активностью фотосистемы II». Нат. Хим . 4 (5): 418–423. Бибкод : 2012НатЧ...4..418Д . дои : 10.1038/nchem.1301 . ПМИД   22522263 .
  7. ^ Зонг, Р.; Таммел, Р.П. (2005). «Новое семейство Ru-комплексов для окисления воды». Журнал Американского химического общества . 127 (37): 12802–12803. дои : 10.1021/ja054791m . ПМИД   16159265 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Чжан, Г.; Зонг, Р.; Ценг, Х.-В.; Таммел, Р.П. (2008). «Комплексы Ru(II) тетрадентатных лигандов, родственные 2,9-ди(пирид-2'-ил)-1,10-фенантролину». Неорганическая химия . 47 (3): 990–998. дои : 10.1021/ic701798v . ПМИД   18183971 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) .
  9. ^ Бруншвиг, Б.С.; Чжоу, Миннесота; Крейц, К.; Гош, П.; Сутин Н. Механизмы окисления воды до кислорода: кобальт(IV) как промежуточный продукт в реакции, катализируемой аквокобальтом(II). Журнал Американского химического общества, 1983, 105, 4832-4833.
  10. ^ Василенко, диджей; Ганесаморти, К.; Борау-Гарсия, Дж.; Берлингетт, К.П., Электрохимические доказательства каталитического окисления воды, опосредованного комплексом высоковалентного кобальта. Химические коммуникации 2011, 47, 4249-4251.
  11. ^ Инь, К.; Тан, Дж. М.; Бессон, К.; Гелетий, Ю.В.; Мусаев, Д.Г.; Кузнецов А.Е.; Луо, З.; Хардкасл, штат Кентукки; Хилл, К.Л., Быстрорастворимый безуглеродный молекулярный катализатор окисления воды на основе большого количества металлов. Наука 2010, 328, 342-345.
  12. ^ Фрицкий Игорь О.; Берггрен, Густав; Са, Хасинто; Мамедов, Фикрет; Д'Амарио, Лука; Павлюк Мария Владимировна; Шилин, Сергей И. (18 февраля 2019 г.). «Эффективное окисление воды под действием видимого света, катализируемое клатрохелатным комплексом железа (IV)» . Химические коммуникации . 55 (23): 3335–3338. дои : 10.1039/C9CC00229D . ISSN   1364-548X . ПМИД   30801592 .
  13. ^ Филлол, JL; Кодола, З.; Гарсиа-Бош, И.; Гомес, Л.; Пла, Джей-Джей; Костас М. Эффективные катализаторы окисления воды на основе легкодоступных координационных комплексов железа. Nat Chem 2011, 3, 807-813.
  14. ^ Халл, Дж. Ф.; Балселлс, Д.; Блейкмор, доктор юридических наук; Инкарвито, CD; Эйзенштейн, О.; Брудвиг, Г.В.; Крэбтри, Р. Х. (2009). «Высокоактивные и прочные комплексы Cp* иридия для каталитического окисления воды» . Журнал Американского химического общества . 131 (25): 8730–8731. дои : 10.1021/ja901270f . ПМК   2742501 . ПМИД   19496565 .
  15. ^ Блейкмор, доктор юридических наук; Шли, Северная Дакота; Балселлс, Д.; Халл, Дж. Ф.; Олак, ГВ; Инкарвито, CD; Эйзенштейн, О.; Брудвиг, Г.В.; Крэбтри, Р.Х. (2010). «Полусэндвичевые комплексы иридия для гомогенного катализа окисления воды». Журнал Американского химического общества . 132 (45): 16017–16029. дои : 10.1021/ja104775j . ПМИД   20964386 .
  16. ^ Янгблад, штат Вашингтон; Ли, С.-ХА; Маэда, К.; Маллук, Т.Э. (2009). «Видимое расщепление легкой воды с использованием сенсибилизированных красителями оксидных полупроводников». Отчеты о химических исследованиях . 42 (12): 1966–1973. дои : 10.1021/ar9002398 . ПМИД   19905000 .
  17. ^ Динкэ, М.; Сурендранат, Ю.; Носера, Д.Г., Никель-боратный катализатор выделения кислорода, работающий в благоприятных условиях. Труды Национальной академии наук 2010, 107, 10337-10341.
  18. ^ Риш, М.; Клинган, К.; Хайдкамп, Дж.; Эренберг, Д.; Чернев П.; Захарьева И.; Дау, Х., Никель-оксидная структура пленки водоокисляющего катализатора. Химические коммуникации 2011, 47, 11912-11914.
  19. ^ Захариева, И.; Наджафпур, ММ; Вичен, М.; Хауманн, М.; Курц, П.; Дау Х. Синтетические оксиды марганца и кальция функционально и структурно имитируют водно-окислительный комплекс фотосинтеза. Энергетика и экология 2011, 4, 2400-2408.
  20. ^ Кэнан, МВт; Яно, Дж.; Сурендранат, Ю.; Динкэ, М.; Ячандра, В.К.; Ночера, Д.Г., Структура и валентность кобальт-фосфатного катализатора окисления воды, определенная с помощью рентгеновской спектроскопии in situ. Журнал Американского химического общества 2010, 132, 13692-13701.
  21. ^ Гарриман, А.; Пикеринг, Эй Джей; Томас, Дж. М.; Кристенсен П.А. Оксиды металлов как гетерогенные катализаторы выделения кислорода в фотохимических условиях. Журнал Химического общества, Фарадейские транзакции 1: Физическая химия в конденсированных фазах 1988, 84, 2795-2806.
  22. ^ Мэтью В. Кэнан; Йогеш Сурендранатха; Дэниел Г. Носера (2009). «Кобальт-фосфатное соединение, выделяющее кислород». хим. Соц. Преподобный . 38 (1): 109–114. дои : 10.1039/B802885K . ПМИД   19088970 .
  23. ^ Зидки, Т.; Чжан, Л.; Шафирович В.; Лымарь, СВ (2012). «Окисление воды, катализируемое кобальтом (II), адсорбированным на наночастицах кремнезема». Журнал Американского химического общества . 134 (35): 14275–14278. дои : 10.1021/ja304030y . ПМИД   22913479 .
  24. ^ П. Саху, Дж. Тан, З.-М. Чжан, С.К. Сингх, Т.-Б. Лу. Инженерная структура поверхности бинарных/тройных наночастиц феррита как высокоэффективных электрокатализаторов реакции выделения кислорода. ChemCatChem, 2018, 10, 1075. doi: 10.1002/cctc.201701790.
  25. ^ Дж. Тан, П. Саху, Ж.-В. Ван, Ю.-В. Ху, З. Чжан, З.-М. Чжан, Т.-Б. Лу, Высокоэффективные электрокатализаторы выделения кислорода, полученные методом восстановительной гравировки ферритов на оксиде графена. Границы неорганической химии, 2018, 5, 310. doi: 10.1039/C7QI00681K
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: fe40409edfd32cffd9d1c9b41a1d03fd__1719005280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/fe/fd/fe40409edfd32cffd9d1c9b41a1d03fd.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Water oxidation catalysis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)