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जलीय एरोबिक शर्तों में सौर-प्रचालित एच2 उत्पादन के लिए Photosensitizer-Cobaloxime संकर का विकास

Chemistry

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Summary

हम सीधे एक cobaloxime कोर में एक stilbene आधारित कार्बनिक डाई शामिल किया है एक photocatitizer-उत्प्रेरक dyad के लिए photocatalytic एच2 उत्पादन उत्पन्न करते हैं. हम भी प्रकाश चालित एच2 उत्पादन photocatalytic विधानसभाओं द्वारा मूल्यांकन के लिए एक सरल प्रयोगात्मक सेटअप विकसित किया है.

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Mir, A. Q., Dolui, D., Khandelwal, S., Bhatt, H., Kumari, B., Barman, S., Kanvah, S., Dutta, A. Developing Photosensitizer-Cobaloxime Hybrids for Solar-Driven H2 Production in Aqueous Aerobic Conditions. J. Vis. Exp. (152), e60231, doi:10.3791/60231 (2019).

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Abstract

फोटोउत्प्रेरक एच2 उत्पादन उपकरणों का विकास एक वैश्विक एच2आधारित नवीकरणीय ऊर्जा बुनियादी ढांचे के निर्माण के लिए महत्वपूर्ण चरणों में से एक है। फोटोएक्टिव विधानसभाओं की एक संख्या उभरा है जहां एक photosensitizer और cobaloxime आधारित एच2 उत्पादन उत्प्रेरक मिलकर काम करने के लिए एच-एच रासायनिक बांड में प्रकाश ऊर्जा परिवर्तित. हालांकि, इन विधानसभाओं की दीर्घकालिक अस्थिरता और खतरनाक प्रोटॉन स्रोतों की आवश्यकता ने उनके उपयोग को सीमित कर दिया है। यहाँ, इस काम में, हम एक अलग अक्षीय पाइरिडीन लिंकेज के माध्यम से एक cobaloxime कोर की परिधि में एक stilbene आधारित कार्बनिक डाई एकीकृत किया है. इस रणनीति ने हमें एक ही आणविक ढांचे के साथ एक photosensitizer उत्प्रेरक उत्प्रेरक संकर संरचना विकसित करने की अनुमति दी. इस अनुच्छेद में, हमने इसकी व्यापक रासायनिक विशेषता के अतिरिक्त इस संकर अणु के संश्लेषण की विस्तृत प्रक्रिया की व्याख्या की है। संरचनात्मक और ऑप्टिकल अध्ययन cobaloxime कोर और कार्बनिक photosensitizer के बीच एक गहन इलेक्ट्रॉनिक बातचीत का प्रदर्शन किया है. कोबालोक्सिम एच2 उत्पादन के लिए भी प्रोटॉन स्रोत के रूप में पानी की उपस्थिति में सक्रिय था। यहाँ, हम इस संकर परिसर द्वारा photocatalytic गतिविधि की जांच के लिए एक ऑनलाइन एच2 डिटेक्टर के साथ जुड़ा एक सरल airtight प्रणाली विकसित की है. प्रयोगात्मक सेटअप में मौजूद इस photosensitizer उत्प्रेरक dyad लगातार एच2 का उत्पादन एक बार यह प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश में उजागर किया गया था. संकर संकुल द्वारा यह प्रकाश उत्प्रेरक एच2 उत्पादन पूर्ण एरोबिक परिस्थितियों में एक बलि इलेक्ट्रॉन दाता की उपस्थिति में जलीय/जैविक मिश्रण मीडिया में मनाया गया था। इस प्रकार, इस photocatalysis माप प्रणाली photosensitizer उत्प्रेरक dyad के साथ अगली पीढ़ी के photocatalytic एच2 उत्पादन उपकरणों के विकास के लिए मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं.

Introduction

आधुनिक दुनिया में, कोयला, तेल, और प्राकृतिक गैस जैसे जीवाश्म ईंधन ऊर्जा का एक बहुमत हिस्सा आपूर्ति. तथापि, वे ऊर्जा संचयन के दौरान सीओ2 की प्रचुर मात्रा में उत्पादन करते हैं जिससे वैश्विक जलवायु 1 पर नकारात्मक प्रभाव पड़ताहै। आने वाले वर्षों में, जनसंख्या की निरंतर वृद्धि और मानव जीवन शैली में निरंतर सुधार के बाद दुनिया भर में ऊर्जा की मांग में भारी वृद्धि की भविष्यवाणी की गई है। इस प्रकार, वैश्विक ऊर्जा आवश्यकता से मेल खाने के लिए एक उपयुक्त वैकल्पिक ऊर्जा संसाधन के लिए एक सक्रिय खोज है। सौर, पवन और ज्वारीय ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा संसाधन उनके पर्यावरण के अनुकूल शून्य कार्बन ऊर्जा ट्रांसडक्शन प्रक्रिया2के कारण सबसे अच्छे समाधानों में से एक के रूप में उभरे हैं। तथापि, इन ऊर्जा संसाधनों की आंतरायिक प्रकृति ने अब तक उनके व्यापक अनुप्रयोग को सीमित कर दिया है। इस समस्या का एक संभावित समाधान जीव विज्ञान में पाया जा सकता है; प्रकाश संश्लेषण 3 के दौरान सौर ऊर्जा कुशलतापूर्वक रासायनिक ऊर्जा में तब्दील हो जातीहै। इस सुराग के बाद, शोधकर्ताओं ने सौर ऊर्जा को रासायनिक आबंधों में भंडारित करने के लिए कृत्रिम प्रकाश संश्लेषी कार्यनीतियां विकसित की हैं, जिसके बाद अनेक छोटे अणु सक्रियण अभिक्रियाओं4,5. एच2 अणु को उनके उच्च ऊर्जा घनत्व और उनके रासायनिक परिवर्तन6,7 की सरलता के कारण सबसे आकर्षक रासायनिक सदिशों में से एक माना गयाहै.

एक photosensitizer और एक एच2 उत्पादन उत्प्रेरक की उपस्थिति एक सक्रिय सौर चालित एच2 उत्पादन सेटअप के लिए आवश्यक हैं. यहाँ इस काम में, हम उत्प्रेरक खंड के लिए कोबाल्ट आधारित आणविक परिसर cobaloxime पर ध्यान दिया जाएगा. आमतौर पर, एक हेक्सा-समन्वित कोबाल्ट केंद्र एक वर्ग समतलन एन4 ज्यामिति में बाध्य है, जो कोबाल्oxime में डाइमेथिलग्लोऑक्सिम (डीएमजी) लिगन्ड्स से व्युत्पन्न होता है। पूरक सीएलआयनों, विलायक अणुओं (जैसे पानी या एसीटोनिट्रिल) या पाइरिडीन डेरिवेटिव अवशिष्ट अक्षीय स्थितियोंमें 8. कोबालॉक्सिम्स लंबे समय से सक्रिय एच2 उत्पादन इलेक्ट्रोकैटालिटिस के लिए जाना जाता है और उनकी प्रतिक्रिया एक्सियल पाइरिडीन9,10,11,12 पर चर कार्यक्षमताओं को संलग्न करके ट्यून की जा सकती है . अपेक्षाकृत सीधी syntheses, उत्प्रेरक शर्तों के तहत ऑक्सीजन सहिष्णुता, और cobaloximes के मध्यम उत्प्रेरक प्रतिक्रिया शोधकर्ताओं को उनके photocatalytic एच2 उत्पादन प्रतिक्रिया का पता लगाने के लिए प्रेरित किया है. हैवेकर समूह रू (पॉलीपाइरिडिल) आधारित फोटोसेन्स13का उपयोग करके कोबालोक्सिमों के प्रकाश चालित एच2 उत्पादन गतिविधि का प्रदर्शन करने में अग्रणी था। Eisenberg और उनके सहकर्मियों प्लैटिनम का उपयोग किया (Pt) आधारित अकार्बनिक photosensitizers कोकोलॉक्सी उत्प्रेरक के साथ मिलकर फोटोउत्प्रेरक एच2 उत्पादन प्रेरित करने के लिए14,15. बाद में, चे समूह ने इसी तरह की गतिविधि16को दोहराने के लिए ऑर्गेनो-गोल्ड फोटोसेन्सिटाइज़र का उपयोग किया। Fontecave और Artero इरिडियम (Ir) आधारित अणुओं17लागू करने से photosensitizers की सीमा का विस्तार किया। इन फोटोउत्प्रेरक प्रणालियों के व्यावहारिक अनुप्रयोग महंगे धातु आधारित फोटोसेन्सिटाइज़र के उपयोग के कारण एक बाधा की ओर बढ़ रहे थे। Eisenberg और सूर्य अनुसंधान समूहों का मुकाबला किया है कि स्वतंत्र रूप से जैविक डाई आधारित फोटो चालित एच2 उत्पादन प्रणाली18,19तैयार करके . इन सभी प्रणालियों द्वारा सफल फोटो चालित एच2 उत्पादन के बावजूद, यह देखा गया कि समग्र उत्प्रेरक कारोबार अपेक्षाकृत धीमी गति से20थे। इन सभी मामलों में, photosensitizer और cobaloxime अणुओं समाधान में अलग moieties के रूप में जोड़ा गया था, और उन दोनों के बीच प्रत्यक्ष संचार की कमी प्रणाली की समग्र दक्षता में बाधा हो सकती है. इस मुद्दे को सुधारने के लिए कई फोटोसेंसिटाइज़र-कोबालोक्सिम डाइड्स विकसित किए गए थे, जहां विभिन्न प्रकार के फोटोसेन्सिटाइज़र को एक्सियल पाइरिडीन लिगंड21,22,23के माध्यम से कोबाल्ोक्सिम कोर के साथ सीधे जुड़े हुए थे। ,24,25,26. सूर्य और सहकर्मियों को भी एक photosensitizer24के रूप में एक n-porphyrin आकृति शुरू करने से एक महान धातु मुक्त उपकरण विकसित करने में सफल रहे थे. हाल ही में, Ott और सहकर्मियों को सफलतापूर्वक एक धातु कार्बनिक ढांचे के भीतर cobaloxime उत्प्रेरक शामिल किया है (MOF) कि कार्बनिक डाई27की उपस्थिति में photocatalytic एच2 उत्पादन प्रदर्शित किया. हालांकि, कोबालोक्सिम ढांचे में उच्च आणविक वजन फोटासेनिटाइज़र को शामिल करने से जल घुलनशीलता कम हो गई है, जबकि उत्प्रेरक परिस्थितियों में डाइड की दीर्घकालिक स्थिरता को प्रभावित किया गया है। उत्प्रेरण के दौरान जलीय परिस्थितियों में सक्रिय डाइड की स्थिरता महत्वपूर्ण है क्योंकि सर्वव्यापी जल उत्प्रेरणों का एक आकर्षक स्रोत है। इस प्रकार, एक कुशल और किफायती फोटो चालित एच2 उत्पादन सेटअप स्थापित करने के लिए एक जलीय घुलनशील, हवा-स्थिर photosensitizer-cobaloxime dyad प्रणाली के विकास के लिए एक गंभीर जरूरत है।

यहाँ इस कार्य में, हमने अक्षीय पाइरिडीन लिंकरकेमाध्यम से कोबाल्oxime कोर के फोटोसेन्सिटाइज़र के रूप में एक स्टिलबेन-आधारित कार्बनिक डाई28 को स्थिर किया है। डाई के हल्के आण्विक भार ने डायड के पानी की विलेयता को बेहतर किया। इस stilbene-cobaloxime संकर अणु ऑप्टिकल और 1एच एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से विस्तार से अपनी एकल क्रिस्टल संरचना स्पष्टीकरण के साथ विशेषता थी. इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा ने संलग्न कार्बनिक डाई के साथ भी कोबाल्ोक्सिम आकृति द्वारा सक्रिय इलेक्ट्रोउत्प्रेरक एच2 उत्पादन का पता लगाया। इस संकर परिसर में महत्वपूर्ण फोटो चालित एच2 उत्पादन का प्रदर्शन किया जब एक उचित बलि इलेक्ट्रॉन दाता की उपस्थिति में प्रत्यक्ष सूर्य के प्रकाश के संपर्क में एक 30:70 पानी / DMF (एन, एन,Dimethylformamide) समाधान के किसी भी गिरावट के बिना ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन द्वारा पूरित के रूप में संकर संरचना. एक सरल photocatalytic डिवाइस, एक एच2 डिटेक्टर से मिलकर, संकर परिसर है कि किसी भी प्रारंभिक अंतराल अवधि के बिना जलीय एरोबिक हालत के तहत एच2 गैस के निरंतर उत्पादन का प्रदर्शन की photocatalysis के दौरान नियोजित किया गया था. इस प्रकार, इस संकर परिसर के लिए सौर संचालित एच2 उत्पादन उत्प्रेरक कुशल अक्षय ऊर्जा के उपयोग के लिए अगली पीढ़ी के विकास के लिए आधार बनने की क्षमता है.

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Protocol

1. photosensitizer-उत्प्रेरक संकर का संश्लेषण

  1. उत्प्रेरक अग्रदूत सह (dmg)2सीएल2 जटिल का संश्लेषण
    नोट: इस जटिल रिपोर्ट की गई प्रक्रिया29के संशोधित संस्करण के बाद संश्लेषित किया गया था।
    1. एसीटोन के 27 एमएल में डाइमेथिलग्लोयोक्सम (डीएमजी) लिगन्ड (इस अभिक्रिया में दो समतुल्य) के 232 मिलीग्राम (1 एममोल) को भंग करें।
    2. कोसीएल2के 118 मिलीग्राम (0ण्5ममोल) को अलग-अलग 3 एमएल deionized पानी में भंग करें जो गुलाबी रंग का समाधान उत्पन्न करता है।
    3. कमरे के तापमान पर निरंतर सरगर्मी के साथ dmg युक्त एसीटोन समाधान के लिए जलीय CoCl2 समाधान ड्रॉप बुद्धिमान जोड़ें।
    4. बारीकी से समाधान रंग में परिवर्तन की निगरानी, जो क्रमिक धातु के अलावा के बाद नीले हरे रंग के लिए बारी होगी.
    5. 2 ज के लिए प्रतिक्रिया जारी रखें।
    6. एक ग्रेड 40 फिल्टर कागज के माध्यम से प्रतिक्रिया मिश्रण फ़िल्टर और रात भर 4 डिग्री सेल्सियस पर छानना रखें।
    7. अगले दिन, समाधान से सह (dmg)2सीएल2 जटिल (cobaloxime) के हरे रंग की वेग प्राप्त करने और ग्रेड के माध्यम से यह फिल्टर 40 फिल्टर कागज.
    8. नमूना हवा के नीचे सूखी.
  2. फोटोसेनिसाइज़र (पीएस)-कोबालोक्सिम हाइब्रिड का संश्लेषण
    नोट: stilbene आधारित photosensitizer (पीएस) रिपोर्ट की गई विधि के अनुसार संश्लेषित किया गया था28. PS-उत्प्रेरक हाइब्रिड जटिल संश्लेषण के लिए निम्न चरणों का पालन किया गया.
    1. जोड़ें 100 मिलीग्राम (0.277 mmol) cobaloxime के (एक बराबर) (चरण में synthesized 1) में 5 एमएल मेथनॉल की. यह एक हरे रंग का निलंबन के रूप में होगा.
    2. लगातार हिलाते हुए हरे निलंबन के लिए triethylamine (TEA) आधार (एक बराबर) के 38 डिग्री एल (0.277 mmol) जोड़ें। समाधान 1 मिनट के भीतर पारदर्शी भूरे रंग के बाद बंद हो जाएगा।
    3. जोड़ें 65 मिलीग्राम (0.277 mmol) ठोस stilbene डाई (एक बराबर) के पहले उल्लेख किया TEA एईए एईए एए डीई ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए ए एन एम ए ए एन बी एस ए एन एम ए ए एन ए ए ए एन ए ए ए एन ए ए ए एन एस ए ए
    4. 3 ज के लिए सरगर्मी जारी रखें, समाधान में परिवर्तन की निगरानी करें, जो क्रमिक रूप से PS-cobaloxime संकर के लाल-भूरे रंग के वेग का उत्पादन करेगा।
    5. ग्रेड 40 फिल्टर पेपर के साथ लाल-भूरे रंग की वेग को फ़िल्टर करें और इसे ठंड मेथनॉल (20 एमएल) की प्रचुर मात्रा के साथ धोएं।
    6. क्लोरोफॉर्म (10 एमएल) में वेग को भंग करें और लाल-भूरे रंग के छानने को इकट्ठा करें।
    7. कमरे के तापमान पर रोटावापोर का उपयोग करके कम दबाव में छानने का प्रयास करें।
    8. ठोस लाल-भूरे रंग के उत्पाद को एकत्र करें [अवलोकन उपज: 76 मिलीग्राम (65%)]।
    9. कमरे के तापमान पर क्लोरोफॉर्म समाधान से उत्पाद को पुनः क्रिस्टलीकृत करें, जहां क्लोरोफॉर्म जटिल के लाल-भूरे रंग के क्रिस्टल का उत्पादन करने के लिए धीरे-धीरे वाष्पित हो जाता है।

2. photosensitizer-cobaloxime संकर की विशेषता

  1. एनएमआर अभिलक्षण
    1. 650 डिग्री सेल्सियस डी6-डीएमएसओमें शुद्ध पीएस-कोबोलॉक्सिम संकर संकुल का 5.0 मिलीग्राम भंग करना।
    2. कमरे के तापमान पर एनएमआर स्पेक्ट्रोमीटर में 1एच एनएमआर रिकॉर्ड करें।
      नोट: 1H NMR संकेतों, में $ (पीपीएम) प्रोटॉनों की इसी संख्या के साथ इकाइयों, उनकी पहचान, और कोष्ठकों में विभाजन पैटर्न (s ] एकल, घ ] doublet, m ] multiplet), निम्नलिखित के रूप में कर रहे हैं: 1एच NMR: 2.34 (12H, -dmg-CH3, एस), 2.97 (6एच, डाई-एन- (सीएच3)2, एस), 6.74 (2 एच, डाई-एरोमैटिक, डी), 6.84 (1 एच, एलाइलिक-एच, डी), 7.48 (5 एच, चार डाई-एरोमैटिक, एक सहयोगी-एच, एम), 7.82 (2एच, एरोमैटिक, डी, डीएच , 18.4एच ,
  2. यूवी-विस स्पेक्ट्रोस्कोपी
    1. विलायक में परिसर की उचित तौली गई मात्रा को जोड़कर एन,एन-डाइमेथिलफॉर्मामाइड (डीएमएफ) में पीएस-कोबालोक्सिम परिसर का 1.0 एमएम का घोल तैयार की।
    2. DMF में संकर परिसर के 0.1 m समाधान उत्पन्न करने के लिए रिक्त DMF के साथ 10 बार समाधान को हल करें।
    3. इसके अतिरिक्त यह रिक्त DMF के साथ 5 बार पतला करने के लिए DMF में संकर परिसर के 20 डिग्री सेल्सियस समाधान उत्पन्न करते हैं.
    4. स्पेक्ट्रोफोटोमीटर का उपयोग करके 20 डिग्री सेल्सियस पीएस-कोबाल्ोक्सिम जटिल विलयन के ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम को रिकॉर्ड करें।
      नोट: यूवी-विस चोटियों ($ /nm), इसी मोलर विलुप्त होने गुणांक के साथ ($ /M-1सेमी-1) कोष्ठक में, निम्नानुसार हैं: 266 (13400) और 425 (14600)।
  3. एकल क्रिस्टल संरचना निर्धारण
    1. 5 एमएल क्लोरोफॉर्म में पीएस-उत्प्रेरक संकर संकुल का एक संकेंद्रित 0-2 एम नमूना तैयार कीजिए। 3 दिनों में उस क्लोरोफॉर्म समाधान से परिसर के लाल-भूरे रंग के (क्यूबिक) क्रिस्टल उगाएं।
    2. जटिल के एक उपयुक्त क्रिस्टल का चयन करें और क्रायोप्रोटेकेंट (उदा., पैराटोन तेल) का उपयोग करके क्रायो-लूप पर माउंट करें।
    3. संकर संकुल के लिए 298 K पर diffractometer पर एकल क्रिस्टल विवर्तन डेटा लीजिए.
    4. SADABS प्रोग्रामिंग30में बहु स्कैन विधि को रोजगार द्वारा डेटा के लिए अनुभवजन्य अवशोषण सुधार लागू करें.
    5. SHELXS-97 के साथ प्रत्यक्ष विधियों द्वारा संरचना को हल करने और पूर्ण मैट्रिक्स कम से कम वर्ग विधियों द्वारा F2 पर SHLXL-201431का उपयोग कर के द्वारा परिष्कृत करें।
  4. इलेक्ट्रोकेमिकल अध्ययन
    1. नमूना तैयारी
      1. एच पीएलसी सी ग्रेड डीएमएफ में पीएस उत्प्रेरक संकर परिसर का 1 एमएम समाधान तैयार करें जिसमें 0.1 एम टेट्रा-एन-ब्यूटिल अमोनियम फ्लोराइड(एन-बयू4एन+एफ]/
      2. इलेक्ट्रोकेमिकल सेल (मात्रा 5 एमएल) में चरण 1 में तैयार किए गए नमूना समाधान का 2 एमएल रखें।
      3. ऑक्सीजन को हटाने के लिए 30 मिनट के लिए समाधान के माध्यम से एन2 गैस पर्ज करें।
    2. इलेक्ट्रोड तैयारी
      1. एक चमकाने पैड पर पानी में तैयार 0.25 डिग्री मीटर एल्यूमिना पेस्ट के साथ 1 मिमी व्यास ग्लासी कार्बन-डिस्क काम इलेक्ट्रोड पॉलिश।
      2. पॉलिश इलेक्ट्रोड deionized पानी की एक प्रचुर मात्रा के साथ अच्छी तरह से कुल्ला.
      3. विद्युत रासायनिक सेल में साफ काम कर इलेक्ट्रोड रखें.
      4. एजी/एगसीएल (1ण्0 एम एग्नो3)संदर्भ इलेक्ट्रोड तथा विद्युत रासायनिक सेल में प्लैटिनम (Pt)-तार काउंटर इलेक्ट्रोड को रखें।
      5. potentiostat करने के लिए तदनुसार सभी इलेक्ट्रोड कनेक्ट करें.
    3. डेटा एकत्रित करना
      1. विद्युत रासायनिक प्रयोग से पहले N2 गैस purging बंद करो.
      2. विद्युत रासायनिक सेल में नमूना विलयन के ऊपर छ2 का सतत प्रवाह रखें।
      3. उपयुक्त स्कैन दर (0.1 वी/एस स्कैन दर) के साथ एनोडिक दिशा से कैथोडिक दिशा तक शुरू होने वाले नमूने के रिकार्ड चक्रीय वोल्टाम्मोग्राम (सीवी) का उपयोग इस प्रयोग में किया गया था।
      4. उपरोक्त प्रयोग को क्रमशः जल की उपयुक्त मात्रा (डीएमएफ में 30% जल) और ट्राइफ्लोरोऐसीटिक एसिड (टीएफए) (8 डिग्री सेल्सियस 10 x पतला स्वच्छ टीएफए) को जोड़कर दोहराइए।
      5. नमूना समाधान में फेरोसीन जोड़ें और संबंधित CV रिकॉर्ड करें. सभी संग्रहीत डेटा के लिए फेरोसीन युग्म (FeCp2+/0 ] 0V 0V बनाम फेरोसीन के साथ संभावित स्केल समायोजित करें. इस प्रकार, इस कार्य में उल्लिखित सभी संभावित मूल्यों को आंतरिक रूप से फेरोसीन युग्म के विरुद्ध संदर्भित किया गया था।

3. प्रकाश-संवेदनित्र द्वारा उत्प्रेरक एच2 उत्पादन सूर्य के प्रकाश में उत्प्रेरक संकर

  1. पीएस उत्प्रेरक संकर परिसर द्वारा फोटोउत्प्रेरक एच2 उत्पादन
    1. एक दो गर्दन परीक्षण ट्यूब में 70:30 DMF पानी (पीएच 7, 0.1 एमईएस बफर) के 10 एमएल में 0.2 एम एम पी एस उत्प्रेरक संकर परिसर तैयार करें।
    2. नमूना समाधान के लिए बलि इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में triethanolamine (TEOA) के 1 एमएल जोड़ें.
    3. वायु-टाइट पट के साथ परखनली के दो छिद्रों को बंद कर ें।
    4. उपयुक्त टयूबिंग कनेक्शन के साथ एच2 डिटेक्टर के साथ इस सेटअप कनेक्ट.
      नोट: एच2 डिटेक्टर दो ट्यूब कनेक्शन है. उनमें से एक इनपुट है कि एक में निर्मित डिटेक्टर के माध्यम से चला जाता है के रूप में कार्य करता है एच2 की मात्रा को मापने के लिए (पीपीएम इकाइयों में) नमूने में मौजूद. मापा गैस नमूना तो उत्पादन टयूबिंग द्वारा प्रतिक्रिया पोत को वापस जोड़ता है.
    5. 30 मिनट के लिए सूर्य के प्रकाश के तहत स्थापित प्लेस और डिटेक्टर के माध्यम से एच2 उत्पादन दर की निगरानी.
  2. गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी) के माध्यम से सौर चालित एच2 उत्पादन की निगरानी
    1. गैस तंग सिरिंज के माध्यम से headspace गैस के 1 एमएल ले लीजिए.
    2. गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी) उपकरण में एकत्र गैस इंजेक्शन।
    3. परिणामी गैस क्रोमैटोग्राफ की निगरानी करें।
    4. अंधेरे के तहत रखा एक नियंत्रण नमूने से एकत्र headspace गैस के 1 एमएल इंजेक्शन.
    5. 1% एच2युक्त एक कैलिब्रेट किए गए मानक गैस मिश्रण से 1 एमएल गैस का इंजेक्शन दें .

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Representative Results

इस कार्य में, एक स्टिलबेन फोटोसेंसिटाइज़र-कोबालोक्सिम संकर परिसर (ब्1) को कार्बनिक रंजक (एल 1) व्युत्पन्न पाइरीडीन आकृति को कोबाल्ट कोर में अक्षीय लिगन्ड के रूप में स्थिर रूप से संश्लेषित किया गया था। संकर संकुल के 1एच एनएमआर डेटा ने एक ही परिसर में कोबालोक्सिम और कार्बनिक डाई प्रोटॉन दोनों की उपस्थिति को स्पष्ट रूप से प्रदर्शित किया है। जैसा कि चित्र 2 में दर्शायागया है, अप-फील्डेड एलिफैटिक क्षेत्र ने क्रमशः ऑक्सीम-बाउंड मेथिल और स्टिलबीन एन-डाइमेथिल प्रोटॉन संकेतों की उपस्थिति को क्रमशः (पीपीएम) 2ण्34 और 2ण्97 में उचित अनुपात में दर्शाया। 6.74-7.82 (पीपीएम) क्षेत्र में स्टिलबीन कंकाल से सुगंधित और अद्वितीय ऐलिलिक प्रोटॉन संकेतों को देखा गया था, जिसे चित्र 2के इनसेट में विस्तार से हाइलाइट किया गया था। कोबालोक्सीम कोर की स्थिरता का उदाहरण सुदूर क्षेत्र क्षेत्र ($12ण्47 (पीपीएम)11में ऑक्सीम मोइटी में अंतर-आण्विक हाइड्रोजन आबंधन की उपस्थिति से किया गया था। संकर संकुल C1 के प्रकाशिक स्पेक्ट्रम ने दो प्रमुख संकेतों का प्रदर्शन किया (चित्र 3)। यूवी क्षेत्र में, एक अलग संकेत 266 एनएम पर मनाया गया. यह संकेत विशेषता के समान था [ u2012] * संक्रमण oxime पाड़ से उत्पन्न. एक अन्य ऑप्टिकल संक्रमण 425 एनएम पर दिखाई क्षेत्र में C1 के लिए देखा गया था. यह संकेत विशिष्ट की तुलना में काफी लाल-स्थानांतरित है [u2012] * stilbene यौगिक के लिए मनाया संक्रमण ([अधिकतम 385 एनएम ) (चित्र 3)32. C1 में मनाया इस संक्रमण संभवतः Npyrdineज़ु2012Co (III) लिगन्ड से धातु प्रभारी हस्तांतरण (LMCT) संक्रमण के लिए महत्वपूर्ण योगदान है, इसी तरह के अक्षीय पाइरीन बाध्य cobaloximes29,33के अनुरूप . स्टिलबीन व्युत्पन्न पाइरिडीन आकृति और कोबाल्ोक्सिम के बीच लिगेशन को सी 1के एकल क्रिस्टल संरचना डेटा के साथ निश्चित रूप से सत्यापित किया गया था। जैसा कि चित्र 4में दिखाया गया है , महत्वपूर्ण एनपाइरडीनज़ु2012को बंधन दूरी 1.965 $ पर मापी गई थी, जो विशिष्ट अक्षीय एनपाइरडीनज़ु2012को बांड9के समान थी। सहयोगी समूह के साथ खुशबूदार छल्ले संकर परिसर C1 में एक ही विमान में बने रहे कि stilbene moiety में एक लम्बी संयोजन सुनिश्चित करते हैं. क्रिस्टल डेटा संग्रह और डेटा शोधन पैरामीटरों का विवरण सारणी 1में दिया गया है। पीएस उत्प्रेरक संकर परिसर की पूर्ण क्रिस्टलीय सूचना फ़ाइल (सीआईएफ) कैम्ब्रिज क्रिस्टलोग्राफी डेटा सेंटर (सीसीडीसी नंबर: 1883987)34में जमा की गई थी।

एक चक्रीय वोल्टमिति (सीवी) प्रयोग पीएस-उत्प्रेरक-हाइब्रिड कॉम्प्लेक्स सी 1 के साथ किया गया था जो डीएमएफ में 0ण्5 ट से -1.8 ट की श्रेणी में कैथोडी स्कैन के साथ घूर रहा था (चित्र 5)। -1.0 ट (vs. Fc+/0) पर एक अपरिवर्तनीय कमी संकेत देखा गया जिसके बाद -1.3 और -1.5 ट पर दो क्रमिक उत्क्रमणीय संकेत दिए गए। पहले रिडक्टिव सिग्नल को धातु आधारित सह (III/II) कमी के रूप में सौंपा जा सकता है जबकि प्रतिवर्ती संकेतों को सुगंधित कार्बनिक डाई फ्रेमवर्क32पर स्टोइकियोमेट्रिक रेडॉक्स प्रक्रियाओं के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था। C1 -1.25 ट पर एक विशिष्ट उत्प्रेरक संकेत का प्रदर्शन किया जब पानी समाधान के लिए जोड़ा गया था. विद्युत उत्प्रेरक एच2 उत्पादन संभवतः इस कैथोडिक उत्प्रेरक व्यवहार के लिए जिम्मेदार था. इसी विलयन में टीएफए के योग के बाद उस उत्प्रेरक अनुक्रिया में क्रमिक वृद्धि द्वारा इस परिकल्पना की पुष्टि की गई थी (चित्र 5)। इन उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए टर्नओवर आवृत्ति (TOF) निम्न समीकरण का उपयोग करसारणीत किया गया था:

Equation

जहाँ मैंकैट - उत्प्रेरक धारा, i ] स्टोइकियोमेट्रिक धारा, द - इस प्रक्रिया में शामिल इलेक्ट्रॉनों की संख्या, त् र् र् सार्वभौर्ण गैस स्थिरांक, त् ] ताप में छ, च ] 1 फराडे तथा र्ं स्कैन दर। जल और जलीय टीएफए की उपस्थिति में एच2 उत्पादन के लिए टीओएफ क्रमशः 30 s-1 और 172 s-1थे। पूरक कालकोलोमेट्रिक (बुल्क इलेक्ट्रोलिसिस) प्रयोग पूरक गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी) के साथ प्रयोग किया गया था 70% Faradaic दक्षता के साथ उत्प्रेरक कदम के दौरान एच2 उत्पादन के आगे सबूत प्रदान करने के लिए (विवरण में अनुपूरक अनुभाग, चित्र S1) .

सी 1 में कोबाल्ोक्सिम कोर की एच2 उत्पादन गतिविधि की फोटो उत्प्रेरक अध्ययन के दौरान आगे जांच की गई थी। इस प्रयोग में, C1 TEOA बलि इलेक्ट्रॉन दाता के साथ 30:70 पानी / DMF विलायक युक्त एक airtight कंटेनर में लोड किया गया था. यह प्रणाली एच2 सेंसर से जुड़ी हुई थी और प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के संपर्क में थी (शक्ति घनत्व 100 उWधध2) ( चित्र6) । जैसा कि चित्र 7 में दर्शायागया है, पी एस उत्प्रेरक संकर संकुल C1 ने सूर्य के प्रकाश के संपर्क के तुरंत बाद उत्प्रेरक एच2 उत्पादन प्रदर्शित किया। इस मामले में, समय के साथ फोटोकैटेलिटिक एच2 उत्पादन में लगभग रैखिक वृद्धि देखी गई। सेट-अप के हेडस्पेस में संचित फोटो जनित गैस की पहचान और शुद्धता को गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी) द्वारा मान्य किया गया था। जैसा कि चित्र 8में दिखाया गया है, सौर चालित, एच2 उत्पादन जीसी परिणामों द्वारा पुष्टि की गई थी। तुलनात्मक प्रकाशिक स्पेक्ट्रम में न्यूनतम परिवर्तन ने इस प्रयोग के दौरान ब्1 की स्थिरता का प्रदर्शन किया (चित्र S2) .

Figure 1
चित्र 1: प्रतिक्रिया योजना. यह योजना PS-उत्प्रेरक हाइब्रिड परिसर के लिए सिंथेटिक मार्ग का प्रतिनिधित्व करती है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: 1एच एनएमआर स्पेक्ट्रम का PS-उत्प्रेरक संकर जटिल C1. यह आंकड़ा कमरे के तापमान पर डी6-DMSO में दर्ज पीएस उत्प्रेरक संकर परिसर के 1एच एनएमआर को प्रदर्शित करता है। एलिफैटिक क्षेत्र में ऑक्सीम-मेथिल समूह (12 एच, ), और पी एस-बाउंड एन-मेथिल समूह (6 एच, ) (काला ट्रेस) होते हैं। सुगंधित क्षेत्र में 10 एच होते हैं, जिनमें सुगंधित (, , , ) और सहयोगी (जी और ) प्रोटम दोनों होते हैं. ऑक्सीम (-NOH) प्रोटॉन सबसे नीचे ढाल प्रोटॉन हैं (i) (लाल निशान). इनसेट खुशबूदार (नीले ट्रेस) और सहयोगी प्रोटॉन (हरी ट्रेस) की विस्तृत बंटवारे पैटर्न पर प्रकाश डाला गया। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: तुलनात्मक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम. पी एस (काला ट्रेस), कोबालोक्सिम अग्रदूत (लाल ट्रेस), और कमरे के तापमान पर DMF में दर्ज PS-उत्प्रेरक dyad C1 (नीले ट्रेस) के तुलनात्मक Uv-vis स्पेक्ट्रम. संकर संकुल का निर्माण स्पष्ट रूप से लाल-स्थानांतरित LMCT बैंड, जबकि $u2012 * संक्रमण ही बने रहे. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: photosensitizer-Cobaloxime संकर C1 की एकल क्रिस्टल संरचना. 50% थर्मल दीर्घवृत्तीय संभावना के साथ C1 के लिए ORTEP प्रतिनिधित्व. तदनुसार आंकड़ों में कार्बन (ग्रे), हाइड्रोजन (सफेद), ऑक्सीजन (लाल), नाइट्रोजन (आकाश-नीला), क्लोरीन (हरा) और कोबाल्ट (गहरा नीला) परमाणु ओंकार दर्शाए गए हैं। क्रिस्टल जालक के अंदर एक क्लोरोफॉर्म अणु पाया गया, लेकिन यह स्पष्टता के लिए यहाँ छोड़ दिया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: तुलनात्मक चक्रीय वोल्टाम्मोग्राम। केवल डीएमएफ (काला ट्रेस) में 1 एमएम सी 1 के तुलनात्मक चक्रीय वोल्टाम्मोग्राम (सीवी), 30:70 पानी/डीएमएफ (नीले ट्रेस) की उपस्थिति में, और 30:70 पानी/डीएमएफ (लाल ट्रेस) में 16 समकक्ष टीएफए की उपस्थिति में आंकड़ा में दिखाया गया था। स्कैन 0.1 एम टेट्रा-एन-ब्यूटिल अमोनियम फ्लोराइड(एन-बयू4एन+एफजेड/ टीबीएएफ) की उपस्थिति में प्रदर्शन किया गया था, जो 1 मिमीग्लासी कार्बन डिस्क वर्किंग इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए इलेक्ट्रोलाइट का समर्थन करता है, एजी/ 0ण्1 ट/एस स्कैन दर के साथ कमरे के ताप पर संदर्भ इलेक्ट्रोड और प्लैटिनम (Pt)-तार काउंटर इलेक्ट्रोड। प्रारंभिक स्कैन दिशा क्षैतिज काले तीर के साथ दिखाया गया है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: प्रकाश उत्प्रेरक एच2 उत्पादन निगरानी प्रणाली। प्रयोगात्मक सेट अप के योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व, एक ऑनलाइन एच2 डिटेक्टर से मिलकर, प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश और पूर्ण एरोबिक के तहत photosensitizer-cobaloxime dyad C1 द्वारा निरंतर निगरानी एच2 उत्पादन के लिए इस्तेमाल किया हालत. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: समय के साथ C1 द्वारा Photocatalytic एच2 उत्पादन। ऑनलाइन एच2 डिटेक्टर द्वारा पता चला के रूप में photosensitizer-cobaloxime संकर जटिल सी 1 द्वारा प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश संचालित photocatalysis के दौरान समय के साथ एच2 का संचय। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8: तुलनात्मक गैस क्रोमैटोग्राफी डेटा. प्रकाश-कोबाल्क्सिम dyad C1 अंधेरे (काले ट्रेस) और प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश (नीले ट्रेस) के तहत रखा से एकत्र सिर अंतरिक्ष गैस के लिए दर्ज तुलनात्मक गैस क्रोमैटोग्राफी (जीसी)। लाल ट्रेस संकेत से संकेत पर हस्ताक्षर किए 1% एच2 अंशांकन गैस मिश्रण नमूना. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्र 9: C1 द्वारा एच2 उत्पादन के लिए फोटोउत्प्रेरक योजना। संभव फोटो उत्प्रेरक एच2 उत्पादन चक्र PS उत्प्रेरक संकर जटिल C1के लिए | यह क्रियाविधि संभवतः प्रकाशसंवेदनकर्ता की उत्तेजना के अनुक्रम का अनुसरण करती है, उत्तेजित इलेक्ट्रॉन को लिंकर के माध्यम से उत्प्रेरक को स्थानांतरित करती है, और घटित उत्प्रेरक केंद्र पर एच2 उत्पादन उत्प्रेरक होता है। यज्ञी इलेक्ट्रॉन दाता से इलेक्ट्रॉन स्वीकार करके धनायनी प्रकाश-संवेदनकर्ता भू-स्थिति में लौटता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

कार्बनिक प्रकाश-संवेदनित्र स्टिलबेन मोइटी को अक्षीय पाइरिडीन लिंकेज के माध्यम से कोबाल्ोक्सिम कोर में सफलतापूर्वक शामिल किया गया था (चित्र 1)। इस रणनीति ने हमें एक photosensitizer-cobaloxime संकर जटिल C1तैयार करने की अनुमति दी. एक ही आण्विक ढांचे में ऑक्सीम और कार्बनिक डाई दोनों की उपस्थिति C1 के एकल क्रिस्टल संरचना से स्पष्ट थी (चित्र 4)। स्टिलबीन आकृति की फ़ेनिल और पाइरिडीन कार्यक्षमताएं एक ही विमान में सहयोगी समूह के माध्यम से एक लम्बी कंजुकेशन के माध्यम से मौजूद थीं। कार्बनिक डाई के इन चर समूहों के बीच अन्योन्यक्रिया समाधान चरण में भी जारी रही, जैसा कि 1एच एनएमआर डेटा (चित्र 2) द्वारा पुष्टि की गई है। स्टिलबीन अणु में एक डाइमेथिल ऐमीन समूह होता है जो पायरिडीन एन-टर्मिनल32के लिए संयुग्मी सुगंधित-एलाइलिक नेटवर्क के माध्यम से एक मजबूत इलेक्ट्रॉन पुश प्रदर्शित कर सकता है। इस इलेक्ट्रॉनिक बातचीत से यह आशा की जाती थी कि एन-पाइरिडीन की दान संपत्ति को अक्षतरूप रूप से समन्वित कोबाल्क्सिम परिसर ब्1में कोबाल्ट सेंटर की ओर ले जाया जाएगा। ब्1 में स्टिलबेन आकृति के लाल-विस्थापन के साथ कोबाल्ोक्सिम कोर के एलएमसीटी बैंड में विशिष्ट परिवर्तन ने संकेत दिया कि धातु और प्रकाश-संवेदित्र मॉड्यूलों के बीच इलेक्ट्रॉनिक अन्योन्यक्रिया(चित्र 3)।

विद्युत रासायनिक डेटा ने जल की उपस्थिति में इस प्रकाश-संवेदनित्र-कोबाल्ोक्सिम संकर ब्1 द्वारा सक्रिय एच2 उत्पादन पर प्रकाश डाला (चित्र 5)। इस डेटा से यह सुझाव दिया गया है कि (क) ब्1 में कोबलॉक्सम कोर ने अपनी परिधि में कार्बनिक रंजक की उपस्थिति में भी अपनी आंतरिक एच2 उत्पादन गतिविधि को बनाए रखा और (ख) जल उत्प्रेरण के दौरान प्रोटॉन स्रोत के रूप में कार्य कर सकता है। इन परिणामों के परिणामस्वरूप सी 1द्वारा फोटोउत्प्रेरक एच2 उत्पादन की जांच की गई . इस प्रयोग के दौरान, सी 1के एक जलीय/डीएमएफ समाधान, जिसमें एक TEOA बलि इलेक्ट्रॉन दाता होता है, एरोबिक स्थिति के तहत प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के संपर्क में था और पूरी हवा तंग सेटअप एक ऑनलाइन एच2 डिटेक्टर के साथ जुड़ा हुआ था ( चित्र 6) . इस प्रयोग के दौरान बिना किसी अंतराल अवधि के एच2 का सतत संचय देखा गया, जिसमें ब्1 द्वारा फोटो चालित एच2 उत्पादन पर प्रकाश डाला गया था (चित्र 7)। फोटोउत्प्रेरक स्थितियों के दौरान एच2 के उत्पादन की पूरक जीसी प्रयोगों द्वारा और अधिक पुष्टि की गई थी (चित्र 8) । ब्1 द्वारा यह सौर चालित एच2 उत्पादन संभवतः कोबाल्क्सिम-आधारित प्रकाश उत्प्रेरक उपकरणों के लिए मनाया जाने वाला विशिष्ट उत्प्रेरक चक्र का अनुसरण करता है जिसे चित्र 9 21में सचित्र किया गया है। इससे पहले ईसेनबर्ग एट अल के अध्ययनों ने भी प्रस्तावित फोटोकैलेटिक चक्र35,36,37का समर्थन किया था .

इस परियोजना के दौरान विकसित प्रयोगात्मक सेटअप photosensitizers, उत्प्रेरक, बलि इलेक्ट्रॉन दाता, और समाधान सामग्री के संयोजन अलग द्वारा photocatalytic प्रणालियों की एक संख्या स्क्रीन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है. व्यापक प्रतिक्रिया शर्तों के तहत इस प्रणाली का एक संभावित अनुप्रयोग है क्योंकि यह प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति में कार्यात्मक है। यह सरल सेटअप भी photocatalytic गतिविधि की गहराई से विश्लेषण के लिए चर लेजर विन्यास के साथ जोड़े में नियोजित किया जा सकता है. यहाँ, हम मध्यम प्रकाश उत्प्रेरक एच2 उत्पादन संकर उत्पन्न करने के लिए cobaloxime परिसर के साथ stilbene डाई शामिल किया है. उनकी प्रतिक्रिया आगे प्रोटॉन विनिमय दर को बढ़ाने के लिए जटिल कंकाल पर एंजाइम प्रेरित बुनियादी कार्यक्षमताओं को स्थापित करके संशोधित किया जा सकता है, उत्प्रेरक चक्र के लिए एक महत्वपूर्ण कदम38,39,40 . यह पहली पीढ़ी photosensitizer उत्प्रेरक adduct अन्य मौजूदा एच2 पीढ़ी तकनीक41की तुलना में एक कुशल, सस्ती, और हरी सौर एच2 उत्पादन मार्ग प्रदान करता है. इसलिए, दोनों photocatalists डिजाइन रणनीति और सौर संचालित एच2 उत्पादन का पता लगाने तकनीक अक्षय ऊर्जा सर्किट का पुनरुद्धार करने के लिए अगली पीढ़ी के फोटो सक्रिय विधानसभाओं के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त होगा.

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

आईआईटी गांधीनगर और भारत सरकार द्वारा वित्तीय सहायता प्रदान की गई थी। हम विज्ञान और इंजीनियरिंग अनुसंधान बोर्ड (एसईआरबी) (फाइल नं. ) द्वारा प्रदान किए गए अतिरिक्त वित्तपोषण का भी धन्यवाद करना चाहेंगे। EMR/2015/002462).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1 mm diameter glassy carbon disc electrode ALS Co., Limited, Japan 2412 1
Acetone SD fine chemicals 25214L10 27 mL
Ag/AgCl reference electrode ALS Co., Limited, Japan 12171 1
Co(dmg)2Cl2 Lab synthesised NA 100 mg
CoCl2.6H2O Sigma Aldrich C2644 118 mg
d6 dmso Leonid Chemicals D034EAS 650 µL
Deionized water from water purification system NA NA 500 mL
Dimethyl formamide SRL Chemicals 93186 5 mL
Dimethyl glyoxime Sigma Aldrich 40390 232 mg
Gas-tight syringe SGE syringe Leur lock 21964 1
MES Buffer Sigma M8250 195 mg
Methanol Finar 67-56-1 15 mL
Platinum counter electrode ALS Co., Limited, Japan 2222 1
Stilbene Dye Lab synthesised NA 65 mg
TBAF(Tetra-n-butylammonium fluoride) TCI Chemicals T1338 20 mg
Triethanolamine Finar 102-71-6 1 mL
Triethylamine Sigma Aldrich T0886 38 µL
Trifluoroacetic acid Finar 76-05-1 10 µL
Whatman filter paper GE Healthcare 1001125 2

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