Configurazione per spettroscopia di riflessione totale attenuata terahertz (TR-ATR) risolta nel tempo. Credito:Università di Osaka
Un team di ricercatori dell'Università di Osaka, in collaborazione con il Tokyo Institute of Technology, trasferimento di carica osservato direttamente e interazioni intermolecolari nella fotosintesi artificiale che si verifica su una scala di picosecondi (ps) (10 -12 ). Con la spettroscopia a riflessione totale attenuata risolta nel tempo (TR-ATR) nella regione dei terahertz (THz), hanno rivelato il processo del materiale di fotosintesi artificiale [Re(CO) 2 (bpy) {P(OEt) 3 } 2 ](PF 6 ) in solvente Trietanolammina (TEOA) come riducente. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .
fotosintesi artificiale, o una reazione fotocatalitica per produrre energia chimica dall'ossido di carbonio (CO 2 ) e luce, è, come con una batteria solare, una promettente energia pulita di nuova generazione. In particolare, la reazione fotocatalitica con complessi di renio (Re) è altamente efficiente. Per creare molecole fotocatalitiche efficienti, è necessario esaminare come avviene la reazione fotocatalitica su una scala temporale di picosecondi. Però, era impossibile osservare direttamente vari fenomeni nella reazione fotocatalitica.
I ricercatori hanno cercato di ottenere informazioni sui cambiamenti nelle posizioni relative delle molecole e sul trasferimento di carica utilizzando la spettroscopia di riflessione totale attenuata (TR-ATR) risolta nel tempo. Le molecole fotocatalitiche che assorbono la luce facilitano la CO 2 riduzione a CO, portandolo ad un livello energetico superiore. Hanno esaminato come si è verificato il trasferimento di carica dal TEOA riducente al Re in una reazione fotocatalitica.
Poiché l'uso delle onde THz, la cui frequenza è inferiore a quelle della luce visibile e della luce infrarossa, rivela cambiamenti nelle vibrazioni intermolecolari (cioè, energie di legame tra due molecole vicine) nella regione THz (bassa frequenza), questo permette di osservare come si muovono le molecole di TEOA attorno al complesso Re e come avviene il trasferimento di elettroni.
Le figure schematiche dell'evoluzione temporale da I a III dell'interazione tra fotocatalizzatore [Re(CO) 2 (bpy){P(OEt) 3 } 2 ]+ come fotocatalizzatore e molecole di TEOA come riducenti. Credito:Università di Osaka
Però, poiché la maggior parte dei solventi utilizzati negli studi fotocatalitici ha un'elevata intensità di assorbimento nella regione THz, è difficile osservare Re nel solvente TEOA. Così, il team ha combinato la spettroscopia a riflessione totale attenuata e la spettroscopia nel dominio del tempo THz per eseguire il TR-ATR nella regione THz.
Inoltre, al fine di condurre le misurazioni risolte nel tempo ultrarapide, hanno combinato la spettroscopia con sonda a pompa con TR-ATR, osservando come le molecole di TEOA si sono mosse e come si è verificato il trasferimento di elettroni su una scala temporale della scala di picosecondi durante una reazione fotocatalitica, una prima mondiale. Nella spettroscopia con sonda a pompa, un impulso di pompa con la lunghezza d'onda di 400 nm ha eccitato un campione e quindi è stato utilizzato un impulso di sonda (impulso THz) per sondare il campione dopo un tempo di ritardo regolabile. Di conseguenza, sono stati in grado di rivelare la modalità vibrazionale intermolecolare con un processo di rilassamento in tre fasi su una scala temporale di picosecondi dopo la fotoeccitazione:
Il professor Kimura dell'Università di Osaka afferma:"L'uso della luce THz ci consente di osservare il ruolo del riducente nella reazione fotocatalitica. La spettroscopia TR-ATR nella regione THz aiuterà a sviluppare reazioni fotocatalitiche altamente efficienti. L'osservazione del movimento relativo tra due molecole e la dinamica della carica mediante spettroscopia assisterà la ricerca su vari processi di reazione nei campi della biologia e della chimica."
