Ligand-Field Directed Electronic Effects in Heterogenized Bifunctional Co(II) Molecular Clusters Accomplish Efficient Overall Water Splitting

双功能 过电位 化学 合作性 催化作用 位阻效应 分解水 配体(生物化学) 吡啶 金属 电化学 物理化学 结晶学 无机化学 立体化学 药物化学 电极 有机化学 生物化学 受体 光催化
作者
Aditya Borah,Jayeeta Saha,Sunita Sharma,Savi Chaudhary,Sandeep K. Gupta,Gopalan Rajaraman,Chandramouli Subramaniam,Ramaswamy Murugavel
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (13): 8535-8550 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05942
摘要

We demonstrate a hitherto unknown approach of employing cobalt organophosphate D4R cage-clusters, [(RO) PO3Co(L)]4 (1–4) and [nBu4N][F@{(RO)PO3Co(L)}4], (1F–4F), where L = DMSO (1 or 1F), pyridine (2 or 2F), 4-formylpyridine (3 or 3F), and 4-cyanopyridine (4 or 4F), as bifunctional heterogeneous catalysts for electrochemical water splitting in near-neutral conditions. Electronic and steric modifications on the clusters are achieved through a synergistic combination of endohedral trapping of fluoride ion and exohedral functionalization of pyridines. This two-pronged approach significantly reduces the charge density at the metal leading to energetically favorable water coordination with a perceptible enhancement in the kinetics of overall water splitting, with 4F exhibiting the lowest cell overpotential of 0.949 V (overall cell potential 2.179 V), observed among molecular catalysts. Density functional calculations highlight the importance of cooperativity between the cobalt centers. The unique D4R geometry stabilizes the high-valent metal-oxo/hydroperoxo species, emphasizing the need for polynuclear clusters to catalyze such challenging reactions, as has been well-established in the evolutionary PS-II.
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