Подготовка на основе Polyoxometalate фото гибкой мембраны для фото активации катализаторов оксид марганца
7 августа 2018 г.
Здесь мы представляем протокол подготовить заряда передачи хромофоры основанный на polyoxometalate/полимерные композитные мембраны.
Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области преобразования солнечной энергии в химию, такие как искусственный фотосинтез. Основное преимущество этой технологии заключается в том, что мы можем изготавливать гибкие, прочные и окислительно-восстановительно настраиваемые фотофункциональные материалы. Сначала добавьте в 50-миллилитровый флакон два миллилитра раствора поливинилового спирта и два миллилитра раствора полиакриламида.
Затем добавьте в флакон брусок для перемешивания треугольной формы и один грамм фосфовольфрамовой кислоты. Об этом методе сшивания сообщила другая группа, и мы модифицировали полиоксотунгстат и его количество. Используя этот метод, мы можем изготовить мембрану из полиоксометаллата кислотного типа вместо солевого типа.
Это ключевой вид для создания фоточувствительной мембраны. Нагрейте флакон до 70 градусов Цельсия на водяной бане при энергичном помешивании и продолжайте помешивать в течение шести часов после выщелачивания при 70 градусах Цельсия. Поместите стеклянную подложку на горячую плиту, предварительно нагретую до 100 градусов Цельсия, и капните на подложку 750 микролитров раствора.
Чтобы высушить образец, храните его в темноте в течение ночи при комнатной температуре. Для приготовления сшивающего реагента в 100 миллилитровый флакон добавьте 72 миллилитра дистиллированной воды, 24 миллилитра ацетона, 25 миллилитры 25%-ного раствора глицеральдегида и 2 миллилитра соляной кислоты. Поместите стеклянную подложку с образцом в чашку Петри шириной 9,5 см и добавьте сшивающий реагент до полного погружения мембраны.
Через 30 минут замените сшивающий реагент дистиллированной водой и промойте один раз. При необходимости снимите мембрану со стеклянной подложки с помощью шпателя и храните ее в дистиллированной воде в темноте. Добавьте 2,08 грамма гексагидрата нитрата церия и перемешайте батончик в 50-миллилитровый флакон
.Затем добавьте в флакон 30 миллилитров воды и размешайте до растворения твердого вещества. Далее поместите мембрану в чашку Петри шириной 9,5 см и добавьте раствор нитрата церия до полного погружения мембраны. Поместите чашку Петри в разогретую до 80 градусов Цельсия духовку на пять часов.
После охлаждения до комнатной температуры замените раствор нитрата церия дистиллированной водой и промойте один раз. Храните мембрану и дистиллированную воду в темноте. Для получения мембраны с кобальтом в качестве металла-донора используют те же препараты и процедуры реакции, что и описанные ранее, за исключением использования 1,14 грамма гексагидрата хлорида кобальта.
Поместите мембраны на горячую плиту при температуре 60 градусов Цельсия с помощью масок из силиконового каучука, чтобы определить область, которая будет использоваться для осаждения. Добавьте 300 миллилитров заранее приготовленного раствора коллоидного оксида марганца в 500-миллилитровую бутылку, подключенную к автоматизированному пистолету-распылителю над горячей плитой, и распылите раствор на мембраны. После осаждения оксида марганца образцы хранят и дистиллированную воду в темноте.
Удержание структуры ПОМ в полимерной матрице было подтверждено методами микрокомбинационной и ИК-Фурье спектроскопии. Наблюдались пики вибрации, соответствующие кеггиновой структуре ПОМ, и было обнаружено, что пики полимеров смещаются из-за связи водорода с ПОМ. Спектроскопический анализ был очень полезен для определения успешного построения блока переноса заряда, и это также было подтверждено видимым изменением цвета образцов.
Кроме того, это было подтверждено УФ-ВИД спектроскопией и фотоэлектрохимическими измерениями, поскольку перенос заряда достигается при правильном выравнивании всех компонентов. В частности, спектроскопические и фотоэлектрохимические результаты подтвердили однонаправленный перенос заряда при световом облучении, что подтверждает справедливость нашего метода синтеза. Производство кислорода на оксиде марганца контролировали с помощью косвенного электрохимического метода с использованием вращающейся дисково-кольцевой электродной системы, где при световом облучении можно было наблюдать восстановительный ток, соответствующий восстановлению кислорода.
После его разработки этот метод открывает исследователям в области фотохимии путь к созданию окислительно-восстановительной и стабильной фотосистемы, запускающей многие фотохимические реакции.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен протокол приготовления хромофоров с переносом заряда с использованием полиоксометаллатного/полимерного композитного мембранного материала. Этот метод имеет важное значение для развития технологий преобразования солнечной энергии в химическую, включая искусственный фотосинтез.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Материаловедение
- Преобразование энергии
- Химия полимеров
Теоретическое обоснование
- Хромофоры с переносом заряда имеют важное значение для эффективного преобразования энергии.
- Полиоксометаллаты представляют собой универсальные материалы, используемые в различных областях.
- Гибкие и долговечные материалы крайне важны для практического применения.
- В данном исследовании модифицируются существующие методы для улучшения свойств материалов.
Цель исследования
- Разработать новый протокол создания хромофоров с переносом заряда.
- Изготовить гибкие фотофункциональные материалы с регулируемыми окислительно-восстановительными свойствами.
- Повысить эффективность преобразования солнечной энергии в химическую.
Используемые методы
- Приготовление растворов поливинилового спирта и полиакриламида.
- Включение фосфорвольфрамовой кислоты в процесс изготовления мембраны.
- Модификация полиоксовольфрамата и изменение его концентрации.
- Использование метода сшивки для создания мембраны.
Основные результаты
- Данный протокол позволяет успешно синтезировать композитную мембрану на основе полиоксиметаллата и полимера.
- Мембраны демонстрируют повышенную гибкость и долговечность.
- Достигнута возможность регулирования окислительно-восстановительного потенциала, что улучшает функциональность.
- Метод является перспективным для применения в области искусственного фотосинтеза.
Выводы
- В данном исследовании представлен новый подход к синтезу хромофоров с переносом заряда.
- Разработанные материалы имеют потенциальное применение в технологиях преобразования энергии.
- В дальнейших работах могут быть изучены дополнительные модификации и области применения.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод позволяет создавать гибкие фотофункциональные материалы с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом для преобразования солнечной энергии в химическую, что способствует снижению рисков при изучении механизмов на ранних этапах проектирования катализаторов. Благодаря интеграции компонентов поглощения фотонов с катализаторами на основе оксида марганца, данный подход обеспечивает создание прогностической платформы для оценки эффективности переноса заряда в системах искусственного фотосинтеза. Этот метод помогает в валидации целевых фоточувствительных мембран как систем, имеющих значение для биомедицинских исследований и применения в области возобновляемых источников энергии.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать звенья с переносом заряда металл-металл (MMCT) для подтверждения донорно-акцепторных пар в фотокаталитических системах.
- Практическая ценность: обеспечивает функциональную валидацию целей посредством спектроскопического подтверждения сохранения структуры ПМА в полимерных матрицах.
- Прогностическая ценность: способствует снижению рисков при установлении механизмов за счет корреляции интенсивности фототока с окислительно-восстановительным потенциалом металлов-доноров (Ce или Co).
Скрининг и разработка анализа
- Готовность анализа: создание автономных мембран с высоким содержанием PW12O403- для стандартизированного фотоэлектрохимического тестирования.
- Количественный выход: возможность измерения фототока при видимом свете для оценки последовательного переноса заряда (Mn → блок MMCT → электрод).
- Воспроизводимость: использование метода сшивания для получения прочных гибких мембран, пригодных для повторных исследований.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: обеспечивает связь между этапом разработки мембран в ходе фундаментальных исследований и доклинической оценкой выделения кислорода на катализаторах MnOx.
- Согласованность биомаркеров: использует продукцию кислорода в качестве функционального показателя, измеряемого с помощью системы вращающегося дискового электрода с кольцом при облучении светом.
- Прогресс с учетом рисков: подтверждает однонаправленный перенос заряда как прогностический порог валидности системы перед дальнейшей оптимизацией.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Определяет место метода в рабочих процессах от ранних этапов поиска до доклинических исследований, где подготовка мембран позволяет разрабатывать анализы для скрининга катализаторов и механистической валидации в конвейерах преобразования энергии.
- Фундаментальная биология: обеспечивает проверку гипотез о выравнивании переноса заряда и донорно-акцепторном спаривании в фоточувствительных системах.
- Скрининг: позволяет получать воспроизводимые и гибкие мембраны для стандартизированных анализов фототока и выделения кислорода.
- Аналитика: обеспечивает получение данных УФ-видимой спектроскопии, микро-Рамановской спектроскопии, ИК-фурье-спектроскопии и фотоэлектрохимического анализа для количественной оценки эффективности переноса заряда и окислительно-восстановительной настройки.
- Трансляционные исследования: связывает изготовление мембран с подтверждением выделения кислорода, обеспечивая преемственность от синтеза материалов до функциональной оценки.
- Промышленное применение: создает модульную платформу для тестирования различных металлов-доноров (Ce, Co) и полимерных композитов при разработке фотофункциональных материалов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение предсказательной уверенности при проектировании переноса заряда, снижение механистической неоднозначности в фотокаталитических системах.
- Практическая ценность: Стандартизация изготовления мембран, воспроизводимость результатов для различных вариантов металлов-доноров, масштабируемость фотоэлектрохимических испытаний.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о целесообразности дальнейшей разработки при скрининге катализаторов, эффективность использования капитала за счет раннего снижения рисков, сокращение числа неудач на поздних стадиях создания прототипов для преобразования энергии.
- Влияние на портфель проектов: Приоритезация фоточувствительных мембран с учетом рисков на основе данных о возможности регулирования окислительно-восстановительного потенциала и сохранения структуры.
Особенности реализации
- Требуются знания в области химии полимеров, неорганического синтеза и методов фотоэлектрохимических измерений.
- Необходим инструментарий для УФ-видимой, микро-Рамановской, ИК-фурье спектроскопии, а также системы с вращающимся диско-кольцевым электродом.
- Требуется стандартизация взаимодействия между группами по синтезу материалов и группами по оценке фотохимических свойств.
- Необходимо учитывать особенности адаптации для различных полимерных матриц и концентраций металлов-доноров.
- Существуют практические ограничения, такие как необходимость хранения в темноте и многочасовая сушка в течение ночи, что влияет на общую пропускную способность.
Часто задаваемые вопросы по биофармацевтике
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
