Vários sistemas moleculares foram desenvolvidos por pesquisadores para transferência de elétrons fotoinduzida (ou seja, acionada pela luz), incluindo supramoléculas, materiais híbridos e sistemas poliméricos orgânicos. Embora estes sistemas cumpram o critério de distância exigido pelo doador e aceitador de elétrons para uma transferência eficiente de elétrons, eles frequentemente não conseguem acomodar o movimento molecular, especialmente em ambientes fluidos. Existe uma abordagem viável para projetar um sistema que facilite a transferência de elétrons sem sucumbir a essas limitações?



Esta questão foi abordada especificamente num estudo recente realizado por uma equipa de investigadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST). Liderada pelo professor associado Kosuke Okeyoshi e incluindo o professor associado Shun Nishimura e a estudante de pós-graduação Reina Hagiwara, a equipe desenvolveu agora um sistema nanocatalítico conjugado com copolímero para melhorar a transferência de elétrons ativos para aumentar a geração de hidrogênio fotoinduzida.

O estudo deles, publicado na Chemical Communications , visa superar as limitações dos atuais sistemas de transferência de elétrons fotoinduzidos. O objetivo dos pesquisadores era estabelecer um sistema catalítico eficiente, capaz de promover a transferência de elétrons com apenas um número mínimo de reações colaterais.

Okeyoshi explica:"Este sistema tem aplicações potenciais na vida real para a economia do hidrogênio. Ao integrar o sistema com um sistema de geração de oxigênio, a divisão fotoinduzida da água (fotossíntese artificial) é antecipada."

A este respeito, o viológeno é uma molécula bem conhecida que é tanto um eficiente doador quanto um aceitador de elétrons. Os pesquisadores já haviam explorado essa propriedade do viologen para desenvolver um sistema de transferência de elétrons, que incluía o copolímero poli (N-isopropilacrilamida-co-Viologen) (PNV) e nanopartículas de platina modificadas (Pt NPs).

Neste sistema, a transição de fase dependente da temperatura no PNV responde às mudanças redox do viológeno, permitindo um processo cíclico de transferência de elétrons para geração contínua de hidrogênio. No entanto, enquanto os PNVs próximos aos NPs de Pt participaram do processo de transferência de elétrons, as moléculas de PNV livres situadas mais distantes também poderiam aceitar elétrons.

Para resolver esse problema, os pesquisadores projetaram agora um sistema nanocatalítico conjugado com copolímero usando o copolímero aleatório ternário poli (NIPAAm-co-Acrilamida-co-Viologen) ou PNAV, que foi sintetizado controlando com precisão o peso molecular e a proporção de introdução do unidades poliméricas.

Uma característica notável do PNAV é o seu comportamento responsivo à temperatura, marcado por uma transição de fase dependente da temperatura. Este copolímero único exibe uma mudança discernível, oscilando entre um estado inchado em sua forma oxidada (PNAV ²⁺ ) e um estado reduzido em sua forma reduzida (PNAV ⁺ ).

Além disso, a conexão do PNAV aos NPs de Pt envolve um processo de redução, proporcionando controle sobre a distância entre o viológeno e os NPs de Pt. Especificamente, o aumento/encolhimento preciso do PNAV nos NPs de Pt mostra-se crucial para o sucesso do processo de transferência cíclica de elétrons proposto a uma determinada distância.

A presente inovação aproveita as vantagens de uma cadeia polimérica responsiva a estímulos para alcançar a transferência dinâmica de elétrons. O sistema nanocatalítico conjugado com copolímero não só é promissor para facilitar a transferência ativa de elétrons na geração de hidrogênio fotoinduzida, mas também demonstra utilidade potencial em reações fotossintéticas artificiais, como a divisão de água fotoinduzida. Além disso, prevê-se que esta abordagem inovadora tenha aplicações mais amplas além das reações fotoquímicas, abrangendo vários domínios, incluindo reações eletroquímicas e reconhecimento macromolecular.

O processo sustentável de transferência cíclica de elétrons possibilitado por esta tecnologia apresenta, portanto, oportunidades para avanços em diversas disciplinas científicas. “As implicações a longo prazo incluem a promoção de uma sociedade energética do hidrogénio alimentada pela luz solar e a fabricação de materiais macios de inspiração biológica como produtos”, conclui o Dr.

Mais informações: Reina Hagiwara et al, Projeto preciso de nanocatalisadores conjugados com copolímero para transferência ativa de elétrons, Chemical Communications (2023). DOI:10.1039/D3CC05242G
Informações do diário: Comunicações Químicas

Fornecido pelo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão