Przygotowanie membran fotoczułych na bazie polioksometalanu do fotoaktywacji katalizatorów tlenku manganu
7 sierpnia 2018
Tutaj prezentujemy protokół przygotowania chromoforów do przenoszenia ładunku na bazie membrany kompozytowej z polioksometalunu/polimeru.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie konwersji energii słonecznej na chemiczną, takiej jak sztuczna fotosynteza. Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy wytwarzać elastyczne, trwałe i przestrajalne materiały fotofunkcjonalne. Najpierw dodaj dwa mililitry roztworu alkoholu poliwinylowego i dwa mililitry roztworu poliakryloamidu do 50-mililitrowej fiolki.
Następnie dodaj do fiolki trójkątny pręt mieszający i jeden gram kwasu fosfatungstynowego. Ta metoda sieciowania została zgłoszona przez inną grupę, a my zmodyfikowaliśmy polioksotungstanian i jego ilość. Korzystając z tej metody, możemy wytworzyć membranę z polioksometalianu typu kwasowego zamiast typu solnego.
Jest to gatunek kluczowy do budowy membrany reagującej na światło. Podgrzej fiolkę do 70 stopni Celsjusza w łaźni wodnej przy energicznym mieszaniu i kontynuuj mieszanie przez sześć godzin po wypłukaniu w temperaturze 70 stopni Celsjusza. Umieść szklane podłoże na płycie grzejnej podgrzanej do 100 stopni Celsjusza i upuść 750 mikrolitrów roztworu na podłoże.
Aby wysuszyć próbkę, należy ją przechowywać w ciemności przez noc w temperaturze pokojowej. Aby przygotować odczynnik sieciujący, dodaj 72 mililitry wody destylowanej, 24 mililitry acetonu, 2 mililitry 25% roztworu aldehydu glicerynowego i 2 mililitry kwasu solnego do 100 mililitrowej fiolki. Umieść szklane podłoże z próbką na 9,5-centymetrowej szalce Petriego i dodaj odczynnik sieciujący, aż membrana zostanie całkowicie zanurzona.
Po 30 minutach zastąp odczynnik sieciujący wodą destylowaną i umyj raz. W razie potrzeby oderwij membranę od szklanego podłoża za pomocą szpatułki i przechowuj ją w wodzie destylowanej w ciemności. Dodaj 2,08 grama sześciowodnego azotanu ceru i mieszadło do 50-mililitrowej fiolki.
Następnie dodaj 30 mililitrów wody do fiolki i mieszaj, aby rozpuścić ciało stałe. Następnie umieść membranę na 9,5-centymetrowej szalce Petriego i dodaj roztwór azotanu ceru, aż membrana zostanie całkowicie zanurzona. Wstaw szalkę Petriego do piekarnika nagrzanego do 80 stopni Celsjusza na pięć godzin.
Po schłodzeniu do temperatury pokojowej zastąp roztwór azotanu ceru wodą destylowaną i umyj raz. Przechowuj membranę i wodę destylowaną w ciemności. Aby przygotować membranę z kobaltem jako metalem donorowym, należy zastosować te same procedury przygotowania i reakcji, jak opisano wcześniej, z wyjątkiem użycia 1,14 grama sześciowodnego chlorku kobaltu.
Umieść membrany na płycie grzejnej w temperaturze 60 stopni Celsjusza z maskami wykonanymi z gumy silikonowej, aby określić obszar, który ma być używany do osadzania. Dodaj 300 mililitrów wcześniej przygotowanego koloidalnego roztworu tlenku manganu do 500-mililitrowej butelki podłączonej do automatycznego pistoletu natryskowego nad płytą grzejną i rozpyl roztwór na membrany. Po osadzeniu tlenku manganu należy przechowywać próbki i wodę destylowaną w ciemności.
Zachowanie struktury POM w osnowie polimerowej potwierdzono za pomocą spektroskopii mikro-Ramanowskiej i FT-IR. Zaobserwowano piki drgań odpowiadające strukturze Keggina POM i stwierdzono, że piki polimerów są przesunięte z powodu wiązania wodorowego z POM. Analiza spektroskopowa była bardzo przydatna do określenia udanej konstrukcji jednostki przenoszenia ładunku, co zostało również potwierdzone przez widoczną zmianę koloru próbek.
Ponadto zostało to potwierdzone przez spektroskopię UV-Vis i pomiary fotoelektrochemiczne, ponieważ przenoszenie ładunku odbywa się, gdy wszystkie elementy są odpowiednio wyrównane. W szczególności wyniki spektroskopowe i fotoelektrochemiczne potwierdziły jednokierunkowy transfer ładunku pod wpływem promieniowania świetlnego, co tym samym potwierdza słuszność naszej metody syntezy. Wytwarzanie tlenu na tlenku manganu monitorowano za pomocą pośredniej metody elektrochemicznej z wykorzystaniem układu elektrod z obrotowym pierścieniem dyskowym, w którym prąd redukcyjny odpowiadający redukcji tlenu można było zaobserwować pod wpływem lekkiego napromieniowania.
Po jej opracowaniu, technika ta toruje drogę naukowcom w dziedzinie fotochemii do wytworzenia stabilnego i przestrajalnego redoks fotosystemu, który wyzwala wiele reakcji fotochemicznych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół przygotowania chromoforów przeniesienia ładunku przy użyciu kompozytowej membrany z polimerystycznego polimerystycznego polimerystycznego polioksomentalu i polimeru. Metoda ta ma istotne znaczenie dla rozwoju technologii konwersji energii słonecznej na chemiczną, w tym sztucznej fotosyntezy.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Konwersja energii
- Chemia polimerów
Wstęp
- Chromofory z przeniesieniem ładunku są niezbędne dla wydajnej konwersji energii.
- Poliooksometalany to wszechstronne materiały stosowane w różnych zastosowaniach.
- Elastyczne i trwałe materiały są kluczowe dla zastosowań praktycznych.
- Niniejsze badanie modyfikuje istniejące metody w celu poprawy właściwości materiałów.
Cel badania
- Opracowanie nowego protokołu syntezy chromoforów z przeniesieniem ładunku.
- Wytworzenie elastycznych i redoks-regulowanych materiałów fotofunkcjonalnych.
- Poprawa wydajności konwersji energii słonecznej na chemiczną.
Zastosowane metody
- Przygotowanie roztworów alkoholu poliwinylowego i poliakrylamidu.
- Wprowadzenie kwasu fosfotungstowego do procesu wytwarzania membrany.
- Modyfikacja poliwungstenu i jego stężenia.
- Wykorzystanie metody sieciowania do tworzenia membrany.
Główne wyniki
- Protokół pozwala na skuteczne wytworzenie kompozytowej membrany polimerowej z polioksometalatem.
- Membrany wykazują zwiększoną elastyczność i trwałość.
- Osiągnięto możliwość regulacji właściwości redoks, co poprawia funkcjonalność.
- Metoda ta rokuje zastosowania w obszarze sztucznej fotosyntezy.
Wnioski
- Niniejsze badanie przedstawia nowatorskie podejście do wytwarzania chromoforów z przeniesieniem ładunku.
- Opracowane materiały wykazują potencjał do zastosowania w technologiach konwersji energii.
- W przyszłych pracach można będzie zgłębić dalsze modyfikacje i zastosowania.
Często zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Metoda ta umożliwia wytwarzanie elastycznych materiałów fotofunkcjonalnych z regulowalnym potencjałem redoks do konwersji energii słonecznej na chemiczną, co wspiera redukcję ryzyka mechanistycznego we wczesnej fazie projektowania katalizatorów. Poprzez integrację komponentów absorbujących fotony z katalizatorami tlenku manganu, zapewnia ona platformę prognostyczną do oceny wydajności przeniesienia ładunku w systemach sztucznej fotosyntezy. Podejście to pomaga w walidacji celów w przypadku membran fotoreaktywnych jako systemów istotnych dla chorób w zastosowaniach energii odnawialnej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie jednostek przeniesienia ładunku metal-metal (MMCT) w celu walidacji par donor-akceptor w układach fotokatalitycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera funkcjonalną walidację celu poprzez spektroskopowe potwierdzenie zachowania struktury POM w macierzach polimerowych.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez korelację natężenia prądu fotogenerowanego z potencjałem redoks metali donacyjnych (Ce lub Co).
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Pozwala na wytwarzanie samodzielnych membran o wysokiej zawartości PW12O403- do standaryzowanych testów fotoelektrochemicznych.
- Wynik ilościowy: Umożliwia pomiary prądu fotoprzepływowego pod wpływem światła widzialnego w celu oceny sekwencyjnego przeniesienia ładunku (Mn → jednostka MMCT → elektroda).
- Powtarzalność: Wykorzystuje technikę sieciowania do generowania trwałych, elastycznych membran odpowiednich do wielokrotnej ewaluacji.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap opracowywania membran w fazie odkryć z oceną ewolucji tlenu na katalizatorach MnOx w warunkach zbliżonych do przedklinicznych.
- Korelacja z biomarkerami: Wykorzystuje produkcję tlenu jako funkcjonalny odczyt za pomocą systemu elektrod obrщаjącego się dysku i pierścienia pod wpływem naświetlania.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Potwierdza jednokierunkowy transfer ładunku jako próg prognostyczny dla poprawności systemu przed dalszą optymalizacją.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie na etapie od wczesnego odkrywania do przepływów pracy przedklinicznych, w których przygotowanie błon umożliwia opracowanie testów do screeningu katalizatorów oraz walidację mechanistyczną w procesach konwersji energii.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących dopasowania transferu ładunku oraz parowania donor-akceptor w systemach fotoreaktywnych.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, elastyczne membrany do standaryzowanych testów prądu fotogenerowanego i wydzielania tlenu.
- Analityka: Zapewnia odczyty UV-Vis, mikro-Ramana, FT-IR oraz fotoelektrochemiczne w celu ilościowego określenia wydajności transferu ładunku i dostrojenia redoks.
- Badania translacyjne: Łączy wytwarzanie membran z walidacją wydzielania tlenu, zapewniając ciągłość od syntezy materiałów do oceny funkcjonalnej.
- Ponowne wykorzystanie w przemyśle: Tworzy modularną platformę do testowania różnych metali donacyjnych (Ce, Co) i kompozytów polimerowych w rozwoju materiałów fotofunkcjonalnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Pewność prognostyczna w projektowaniu transferu ładunku, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w systemach fotokatalitycznych.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja wytwarzania membran, powtarzalność w różnych wariantach metali donujących, skalowalność testów fotoelektrochemicznych.
- Wartość strategiczna: Lepsze decyzje typu go/no-go w przesiewaniu katalizatorów, efektywność kapitałowa dzięki wczesnej minimalizacji ryzyka, zmniejszenie liczby niepowodzeń na późnych etapach tworzenia prototypów konwersji energii.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja membran fotoresponsywnych skorygowana o ryzyko, oparta na danych o możliwości dostrojenia potencjału redox oraz retencji strukturalnej.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu chemii polimerów, syntezy nieorganicznej oraz technik pomiarów fotoelektrochemicznych.
- Wymagane jest oprzyrządowanie do spektroskopii UV-Vis, mikro-Ramana i FT-IR oraz systemy elektrod z obracającym się dyskiem i pierścieniem.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa pomiędzy zespołami zajmującymi się syntezą materiałów a zespołami oceniającymi fotochemię.
- Konieczne jest uwzględnienie adaptacji do różnych macierzy polimerowych i stężeń metali donacyjnych.
- Uwzględniono ograniczenia praktyczne, takie jak wymogi przechowywania w ciemności oraz nocne etapy suszenia wpływające na wydajność procesu.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:25
Preparation of POM/Polymer Composite Membrane
2:23
Reaction of POM/Polymer Membrane with Donor Metals (Ce3+ and Co2+)
3:31
Deposition of MnOx Water Oxidation Catalysts
4:10
Results: Characterization of Polyoxometalate-based Photo-responsive Membranes
5:25
Conclusion
