Forskare från Llobet-gruppen har utvecklat ett nytt molekylärt material tillverkat av oligomerer och använt det som en katalysator vid vattenoxidation, att uppnå oöverträffade strömtätheter för molekylära katalysatorer. Uppsatsen "Vattenoxidationselektrokatalys med hjälp av ruteniumkoordinationsoligomerer adsorberade på flerväggiga kolnanorör, " har publicerats i Naturkemi .

Genereringen av elektroanoder och katoder för vattenklyvningsanordningar baserade på molekylära komplex förankrade på fasta ytor vinner dragkraft tack vare deras mångsidiga och modulära egenskaper genom liganddesign. Efter att ha studerat det katalytiska beteendet hos oligomerer med den allmänna formeln {[Ru(tda)(4, 4'- bpy)]n(4, 4'-bpy)} (där n är 1, 2, 4, 5 eller 15), forskarna från ICIQ:s Llobet-team gav sig i kast med att förankra dem på grafitiska ytor. "Vi bestämde oss för att designa ett oligomert material baserat på vår kraftfulla Ru(tda)-katalysator för att gå från homogena till heterogena applikationer. Vi var tvungna att förankra katalysatorn på en yta för att hitta en påtaglig applikation på vattenuppdelningsanordningar, " förklarar Marcos Gil-Sepulcre, postdoktor och gruppkoordinator vid Llobet-gruppen och första medförfattare till uppsatsen.

I samarbete med internationella partners som Johannes Elemans vid Institutet för molekyler och material Radboud University och Christina Scheu vid Max-Planck-Institut fur Eisenforschung GmbH i Düsseldorf, forskarna genomförde flera mikroskopistudier för att karakterisera hybridmaterialen. Dessutom, Småvinklad röntgenspridning (GIWAXS) utfördes vid Alba synkrotron av Marc Malfois och Eduardo Solano. Ytterligare, densitetsfunktionella teorin (DFT) beräkningar, utförd av ICIQ Maseras-gruppen, att utforska naturen av interaktionen mellan oligomererna och de grafitiska ytorna. Röntgenabsorptionsspektroskopiska (XAS) mätningar användes också, i samarbete med gruppen D. Moonshiram på IMDEA Nanociencia, att analysera oligomererna vid de grafitiska ytorna, och utvärdera deras öde under och efter katalys. På så sätt bekräftade forskarna oligomerens molekylära natur och fick reda på att den adsorberas till den grafitiska ytan via aromatisk katalysator-yta C-H-π-interaktioner - en förankringsstrategi som hittills aldrig har beskrivits för molekylära katalysatorer.

En enda monomer av den använda oligomeren kan inte förankras eftersom dess interaktioner med ytan är för svaga. Hitta styrka i siffror, när flera enheter introduceras, det stora antalet C-H-π-interaktioner stabiliserar hela kedjan. Konformationen av hybridmaterialet (ett nanorör omgivet av oligomerer) är orsaken till dess höga effektivitet:alla ruteniumatomer i oligomererna är aktiva katalytiska centra - i motsats till att dumpa toner av oxider på elektroder som vanligtvis görs inom materialvetenskap.

Det resulterande molekylära hybridmaterialet beter sig som en robust och kraftfull elektroanod för vattenoxidationsreaktionen som uppnår oöverträffade strömtätheter för molekylära katalysatorer inom hela pH-området, men speciellt vid neutralt pH. "Så vitt vi vet, det finns ingen koordinationspolymer, MOF eller COF, eller metallorganiskt material som fungerar under neutrala förhållanden, ger dessa strömmar och är stabil, " hävdar Gil-Sepulcre.

Arbetet ger grunden för att designa robusta och effektiva hybridmolekylära elektroanodmaterial för oxidation av vattenbaserade på Ru-komplex, som kan utvidgas till andra övergångsmetaller och andra katalytiska reaktioner. Teamet arbetar redan med att implementera hybridmaterialet på fotoelektrokemiska celler för att testa dess applikationer i en vattenklyvningsanordning.