Inställning för tidsupplöst terahertz-attenuerad totalreflektion (TR-ATR) spektroskopi. Kredit:Osaka University
Ett team av forskare från Osaka University, i samarbete med Tokyo Institute of Technology, direkt observerad laddningsöverföring och intermolekylära interaktioner i artificiell fotosyntes som sker på en pikosekund (ps) skala (10) -12 ). Med tidsupplöst försvagad totalreflektion (TR-ATR) spektroskopi i terahertz (THz) regionen, de avslöjade processen för artificiellt fotosyntesmaterial [Re(CO) 2 (bpy) {P(OEt) 3 } 2 ](PF 6 i trietanolamin (TEOA) lösningsmedel som ett reduktionsmedel. Deras forskningsresultat publicerades i Vetenskapliga rapporter .
Artificiell fotosyntes, eller en fotokatalytisk reaktion för att producera kemisk energi från koloxid (CO 2 ) och ljus, är, som med ett solbatteri, en lovande nästa generations ren energi. Särskilt, den fotokatalytiska reaktionen med rhenium (Re)-komplex är mycket effektiv. För att skapa effektiva fotokatalytiska molekyler, det är nödvändigt att undersöka hur den fotokatalytiska reaktionen sker på en pikosekund tidsskala. Dock, det var omöjligt att direkt observera olika fenomen i den fotokatalytiska reaktionen.
Forskarna försökte få information om förändringar i relativa positioner för molekyler och laddningsöverföring genom att använda tidsupplöst försvagad totalreflektion (TR-ATR) spektroskopi. Fotokatalytiska molekyler som absorberar ljus underlättar CO 2 reduktion till CO, för det till en högre energinivå. De undersökte hur laddningsöverföring från reduktanten TEOA till Re skedde i en fotokatalytisk reaktion.
Eftersom användningen av THz-vågor, vars frekvens är lägre än för synligt ljus och infrarött ljus, avslöjar förändringar i intermolekylära vibrationer (det vill säga bindningsenergier mellan två angränsande molekyler) i THz (lågfrekventa) regionen, detta gör att man kan observera hur TEOA-molekyler runt Re-komplexet rör sig och hur elektronöverföring sker.
De schematiska figurerna av den tidsmässiga utvecklingen från I till III av interaktionen mellan fotokatalysator [Re(CO) 2 (bpy){P(OEt) 3 } 2 ]+ som fotokatalysator och TEOA-molekyler som reduktionsmedel. Kredit:Osaka University
Dock, eftersom de flesta lösningsmedel som används i fotokatalytiska studier har en hög absorptionsintensitet i THz-regionen, det är svårt att observera Re i TEOA-lösningsmedel. Således, teamet kombinerade försvagad totalreflektionsspektroskopi och THz-tidsdomänspektroskopi för att utföra TR-ATR i THz-regionen.
Dessutom, för att utföra de ultrasnabba tidsupplösta mätningarna, de kombinerade pumpsondspektroskopi med TR-ATR, observera hur TEOA-molekyler rörde sig och hur elektronöverföring skedde på en tidsskala i pikosekunder under en fotokatalytisk reaktion, en världsnyhet. I pumpsondspektroskopi, en pumppuls med våglängden 400 nm exciterade ett prov och sedan användes en sondpuls (THz-puls) för att sondera provet efter en justerbar fördröjningstid. Som ett resultat, de kunde avslöja det intermolekylära vibrationsläget med en trestegs avslappningsprocess på en pikosekundsskala efter fotoexcitering:
Professor Kimura från Osaka University säger, "Användningen av THz-ljus tillåter oss att observera reduktantens roll i fotokatalytisk reaktion. TR-ATR-spektroskopi i THz-regionen kommer att bidra till att utveckla högeffektiva fotokatalytiska reaktioner. Observation av den relativa rörelsen mellan två molekyler och laddningsdynamik genom spektroskopi kommer att hjälpa forskning om olika reaktionsprocesser inom biologi och kemi."
