Mechanism of Catalytic Water Oxidation by the Ruthenium Blue Dimer Catalyst: Comparative Study in D2O versus H2O

催化作用 电子顺磁共振 催化氧化 二聚体 化学 氧化还原 光化学 活化能 拉曼光谱 水二聚体 反应机理 无机化学 物理化学 分子 有机化学 氢键 核磁共振 物理 光学
作者
Dooshaye Moonshiram,Vatsal Purohit,Javier J. Concepcion,Thomas J. Meyer,Yulia Pushkar
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:6 (2): 392-409 被引量:31
标识
DOI:10.3390/ma6020392
摘要

Water oxidation is critically important for the development of energy solutions based on the concept of artificial photosynthesis. In order to gain deeper insight into the mechanism of water oxidation, the catalytic cycle for the first designed water oxidation catalyst, cis,cis-[(bpy)₂(H₂O)RuIIIORuIII(OH₂)(bpy)₂]4+ (bpy is 2,2-bipyridine) known as the blue dimer (BD), is monitored in D₂O by combined application of stopped flow UV-Vis, electron paramagnetic resonance (EPR) and resonance Raman spectroscopy on freeze quenched samples. The results of these studies show that the rate of formation of BD[4,5] by Ce(IV) oxidation of BD[3,4] (numbers in square bracket denote oxidation states of the ruthenium (Ru) centers) in 0.1 M HNO₃, as well as further oxidation of BD[4,5] are slower in D₂O by 2.1-2.5. Ce(IV) oxidation of BD[4,5] and reaction with H₂O result in formation of an intermediate, BD[3,4]', which builds up in reaction mixtures on the minute time scale. Combined results under the conditions of these experiments at pH 1 indicate that oxidation of BD[3,4]' is a rate limiting step in water oxidation with the BD catalyst.
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