Vari sistemi molecolari sono stati sviluppati dai ricercatori per il trasferimento di elettroni fotoindotto (cioè guidato dalla luce), comprese supramolecole, materiali ibridi e sistemi polimerici organici. Sebbene questi sistemi soddisfino il criterio della distanza richiesto dal donatore e dall'accettore di elettroni per un trasferimento efficiente degli elettroni, spesso non riescono ad accogliere il movimento molecolare, specialmente in ambienti fluidi. Esiste un approccio praticabile per progettare un sistema che faciliti il trasferimento di elettroni senza soccombere a queste limitazioni?
Questo problema è stato affrontato in modo specifico in un recente studio condotto da un team di ricercatori del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Guidato dal professore associato Kosuke Okeyoshi e comprendente il professore associato Shun Nishimura e la studentessa del corso di specializzazione Reina Hagiwara, il team ha ora sviluppato un sistema nanocatalitico coniugato con copolimero per migliorare il trasferimento di elettroni attivo per una maggiore generazione di idrogeno fotoindotto.
Il loro studio, pubblicato su Chemical Communications , mira a superare i limiti degli attuali sistemi di trasferimento di elettroni fotoindotti. L'obiettivo dei ricercatori era quello di creare un efficiente sistema catalitico in grado di promuovere il trasferimento di elettroni con solo un numero minimo di reazioni collaterali.
Il dottor Okeyoshi spiega:"Questo sistema ha potenziali applicazioni nella vita reale per l'economia dell'idrogeno. Integrando il sistema con un sistema di generazione di ossigeno, si anticipa la scissione dell'acqua fotoindotta (fotosintesi artificiale)."
A questo proposito, il viologeno è una molecola ben nota che è sia un efficiente donatore che un accettore di elettroni. I ricercatori avevano precedentemente sfruttato questa proprietà del viologeno per sviluppare un sistema di trasferimento di elettroni, che includeva il copolimero poli(N-isopropilacrilammide-co-Viologeno) (PNV) e nanoparticelle di platino modificate (Pt NP).
In questo sistema, la transizione di fase dipendente dalla temperatura nel PNV risponde ai cambiamenti redox del viologeno, consentendo un processo ciclico di trasferimento di elettroni per la generazione continua di idrogeno. Tuttavia, mentre i PNV vicini alle NP Pt partecipavano al processo di trasferimento degli elettroni, anche le molecole PNV libere situate più lontano potevano accettare elettroni.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno ora progettato un sistema nanocatalitico coniugato con copolimero utilizzando il polimero casuale ternario (NIPAAm-co-Acrylamide-co-Viologen) o PNAV, che è stato sintetizzato controllando con precisione il peso molecolare e il rapporto di introduzione del unità polimeriche.
Una caratteristica notevole del PNAV è il suo comportamento sensibile alla temperatura, caratterizzato da una transizione di fase dipendente dalla temperatura. Questo copolimero unico presenta uno spostamento percepibile, oscillando tra uno stato rigonfio nella sua forma ossidata (PNAV 2+ ) e uno stato rimpicciolito nella sua forma ridotta (PNAV + ).
Inoltre, la connessione del PNAV alle NP Pt comporta un processo di riduzione, fornendo il controllo sulla distanza tra il viologeno e le NP Pt. Nello specifico, il preciso rigonfiamento/restringimento del PNAV sulle NP di Pt si rivela cruciale per il successo del processo di trasferimento di elettroni ciclico proposto a una determinata distanza.
La presente innovazione sfrutta i vantaggi di una catena polimerica sensibile agli stimoli per ottenere il trasferimento dinamico degli elettroni. Il sistema nanocatalitico coniugato con copolimero non solo è promettente per facilitare il trasferimento di elettroni attivi nella generazione di idrogeno fotoindotto, ma dimostra anche una potenziale utilità nelle reazioni fotosintetiche artificiali, come la scissione dell’acqua fotoindotta. Inoltre, si prevede che questo approccio innovativo avrà applicazioni più ampie oltre le reazioni fotochimiche per comprendere vari domini, comprese le reazioni elettrochimiche e il riconoscimento macromolecolare.
Il processo di trasferimento ciclico sostenibile degli elettroni reso possibile da questa tecnologia presenta quindi opportunità di progresso in diverse discipline scientifiche. "Le implicazioni a lungo termine includono la promozione di una società basata sull'energia dell'idrogeno alimentata dalla luce solare e la produzione di materiali morbidi di ispirazione biologica come prodotti", conclude il dott. Okeyoshi.
Ulteriori informazioni: Reina Hagiwara et al, Progettazione precisa di nanocatalizzatori coniugati con copolimero per il trasferimento elettronico attivo, Comunicazioni chimiche (2023). DOI:10.1039/D3CC05242G
Informazioni sul giornale: Comunicazioni chimiche
Fornito dal Japan Advanced Institute of Science and Technology
