用于氧化水的五核铁复合物:对溶液中的反应性中间体的光谱分析,并将催化剂固定到基于MOF的光电极中

科学领域:

• 材料科学与工程 材料科学与工程
• 电化学和催化剂的应用
• 绿色化学与可持续能源

背景情况:

• 光电化学分水对于生产绿色气至关重要,这是向可再生能源过渡的关键组成部分.
• 基于铁的分子催化剂为氧化水提供了贵金属催化剂的可持续替代品.
• 特定的铁催化剂[Fe^II₄Fe^III(μ-3-O)(μ-L) ₆³⁺ (1) 是一种高度活性的水氧化催化剂 (WOC),但其反应机制尚不清楚.

研究的目的:

• 使用*in situ*光谱技术阐明铁基催化剂 (1) 的水氧化反应 (WOR) 机制.
• 在MIL-126金属有机框架 (MOF) 中集成时,研究催化剂 (1) 的性能,用于光电化学应用.
• 为开发水分的高效和成本效益的催化剂提供见解.

主要方法:

• 在现场使用X射线光谱 (XANES和EXAFS) 和电子磁共振 (EPR) 光谱来分析电化学水氧化过程中的催化剂.
• 电化学方法,包括循环电量测量和散装电解,用于研究催化活性和中间体形成.
• 催化剂 (1) 被纳入MIL-126 MOF中,以创建用于光电化学测试的复合材料.

主要成果:

• 在催化电流开始之前观察到过渡性反应中间体和协调球体扩张.
• 通过EPR光谱检测,在预催化电位上确定了Fe^III/Fe^IV相互作用,而XANES和EXAFS则表明在催化电位上形成了高价Fe^V=O和Fe^IV=O中间体,它们具有短Fe=O键 (~1.6 Å).
• (1) -MIL-126复合物在酸性溶液中可见光照射下表现出增强的电催化电流,显示出改善的光电催化活性.

结论:

• 该研究阐明了铁基催化剂 (1) 水氧化机制中关键的催化中间体和途径.
• 将其集成到MIL-126 MOF中可以提高催化剂在光电化学水分裂中的性能,为太阳能驱动的生产铺平了道路.
• 这些发现有助于合理设计先进的,地球丰富的催化剂,用于可持续能源应用.