Direct Evidence for a Sequential Electron Transfer–Proton Transfer Mechanism in the PCET Reduction of a Metal Hydroxide Catalyst

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作者
Matthew C. Kessinger,J.M. Xu,Kai Cui,Quentin R. Loague,Alexander V. Soudackov,Sharon Hammes‐Schiffer,Gerald J. Meyer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (3): 1742-1747 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10742
摘要

The proton-coupled electron transfer (PCET) mechanism for the reaction Mox-OH + e- + H+ → Mred-OH2 was determined through the kinetic resolution of the independent electron transfer (ET) and proton transfer (PT) steps. The reaction of interest was triggered by visible light excitation of [RuII(tpy)(bpy')H2O]2+, RuII-OH2, where tpy is 2,2':6',2″-terpyridine and bpy' is 4,4'-diaminopropylsilatrane-2,2'-bipyridine, anchored to In2O3:Sn (ITO) thin films in aqueous solutions. Interfacial kinetics for the PCET reduction reaction were quantified by nanosecond transient absorption spectroscopy as a function of solution pH and applied potential. Data acquired at pH = 5-10 revealed a stepwise electron transfer-proton transfer (ET-PT) mechanism, while kinetic measurements made below pKa(RuIII-OH/OH2) = 1.3 were used to study the analogous interfacial reaction, where electron transfer was the only mechanistic step. Analysis of this data with a recently reported multichannel kinetic model was used to construct a PCET zone diagram and supported the assignment of an ET-PT mechanism at pH = 5-10. Ultimately, this study represents a unique example among Mox-OH/Mred-OH2 reactivity where the protonation and oxidation states of the intermediate were kinetically and spectrally resolved to firmly establish the PCET mechanism.
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