泰羅尼亞化學(xué)研究所（ICIQ）的Llobet小組的研究人員開發(fā)了一種由低聚物制成的新型分子材料，并將其用作水氧化中的催化劑，為分子催化劑提供了前所未有的電流密度。論文“使用吸附在多壁碳納米管上的釕配位低聚物進(jìn)行水氧化電催化”已發(fā)表在《自然化學(xué)》上。
由于通過配體設(shè)計實(shí)現(xiàn)的多功能性和模塊化特性，基于錨固在固體表面上的分子復(fù)合物的水分解裝置的陽極和陰極的產(chǎn)生越來越受青睞。在研究了通式{[Ru（tda）（4,4'-bpy）] n（4,4'-bpy）}（其中n為1、2、4、5或15）的低聚物的催化行為后， ICIQ的Llobet小組的科學(xué)家著手將它們錨定在石墨表面上。 “我們決定基于功能強(qiáng)大的Ru（tda）催化劑設(shè)計一種低聚物材料，以從均質(zhì)應(yīng)用變?yōu)榉蔷|(zhì)應(yīng)用。我們必須將催化劑固定在表面上，才能在水分解裝置上找到切實(shí)的應(yīng)用，” Marcos Gil-解釋說。 Seplcre，Llobet小組的博士后研究員和小組協(xié)調(diào)員，是該論文的第一作者。
與國際合作伙伴合作，例如拉德布德分子與材料研究所的Johannes Elemans和杜塞爾多夫Max-Planck-InstitutfürEisenforschung GmbH的Christina Scheu，科學(xué)家們進(jìn)行了多次顯微鏡研究，以鑒定雜化材料。此外，馬克·馬爾福斯（Marc Malfois）和愛德華多·索拉諾（Eduardo Solano）在阿爾巴同步加速器上進(jìn)行了掠入射小角X射線散射（GIWAXS）。此外，ICIQ Maseras小組進(jìn)行了密度泛函理論（DFT）計算，以探討低聚物與石墨表面之間相互作用的性質(zhì)。還與IMDEA Nanociencia的D. Moonshiram小組合作使用了X射線吸收光譜（XAS）測量，以分析石墨表面的低聚物，并評估它們在催化過程中和催化后的命運(yùn)。通過這種方法，研究人員證實(shí)了低聚物的分子性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)它通過芳族催化劑與表面C-H-π的相互作用被吸附到石墨表面，這是迄今為止分子催化劑從未描述過的固定策略。
所用低聚物的單一單體不能錨定，因?yàn)槠渑c表面的相互作用太弱。找到數(shù)量優(yōu)勢后，一旦引入多個單元，大量的C-H-π相互作用將穩(wěn)定整個鏈。雜化材料（被低聚物包圍的納米管）的構(gòu)象是其高效率的原因：低聚物中的所有釕原子都是活性催化中心，這與材料科學(xué)中通常將氧化色調(diào)傾倒在電極上相反。
所得的雜化分子材料在水氧化反應(yīng)中表現(xiàn)為堅(jiān)固而強(qiáng)大的電陽極，可在整個pH范圍內(nèi)，尤其是在中性pH值下，為分子催化劑提供前所未有的電流密度。 “據(jù)我們所知，沒有在中性條件下工作的配位聚合物，MOF或COF或有機(jī)金屬材料能夠提供這些電流并且穩(wěn)定，” Gil-Sepulcre說道。
這項(xiàng)工作為設(shè)計魯棒高效的混合分子電陽極材料提供了基礎(chǔ)，該材料可用于氧化基于Ru配合物的水，該材料可擴(kuò)展到其他過渡金屬和其他催化反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究在光電化學(xué)電池上使用混合材料，以測試其在水分解裝置中的應(yīng)用。
