CAS: Spectroscopy and Reactivity of Isolated Metal-oxo Complexes

CAS:分离金属氧配合物的光谱学和反应性

基本信息

  • 批准号:
    1954268
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 42万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-06-01 至 2024-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

With this grant, the Chemical Structure, Dynamics, and Mechanisms-B program is supporting the research of Professor Etienne Garand at the University of Wisconsin-Madison. The project focuses on improving the efficiency of fundamental processes involved in the conversion of solar energy into chemical fuels. Artificial photosynthesis is a promising option for the storage of solar energy. The water oxidation process is key to artificial photosynthesis, it includes the splitting water (H2O) into oxygen (O2) and protons (H+). The research challenge in water splitting resides in lowering its substantial extra energy needed to perform this reaction. To reduce this energy, a large number of catalysts have been reported. The search for catalysts underscores the need for understanding the catalytic water oxidation itself, such that rational catalyst design can be applied. This research project utilizes a combination of tools - mass spectrometry and laser spectroscopy - to probe critical catalytic complexes which are intermediates in the water oxidation reaction. The results from these studies clarify the structures and reactivity of these reactive complexes and provide stringent benchmarks for computational chemistry methods, which can then be used to design future catalysts. In addition, this research project benefits a diverse and competitive STEM workforce by providing mentorship, high-level training and career development for students. The project will support the team's participation in three programs aimed at increasing diversity in STEM; namely, the ACS Bridge to the doctorate which aims at increasing the pool of competitive underrepresented students applying to graduate program; CHOPS which provides an opportunity for students to visit the chemistry department and learn about the graduate program, and CATALYST which provides individual mentoring and support to targeted first-year graduate students.This research project addresses the mechanism for water oxidation using solar energy. A critical step in this mechanism involves nucleophilic attack of a water molecule on a metal-oxo species and the formation of an O-O bond. Building on methodology developed with earlier NSF support, the experimental approach is based on sequential cryogenic ion traps for the controlled manipulation and characterization of ions and clusters. This provides the capabilities to generate highly reactive intermediates and directly probe their structure and reactivity. Precise chemical structure characterizations of the complexes are obtained via cryogenic ion predissociation spectroscopy. This project: 1) Characterizes the electronic structure and spin state of metal-oxo complexes and their relationship with the nature of the metal center and the influence of the ligands; 2) Explores the intrinsic reactivity and interactions between metal-oxo complexes and water molecules, with particular focus on the propensity to form O-O bond and its relationship to the electronic structure of the M=O group; and 3) Defines the role of bases and an extended water solvent network in inducing structural changes and interactions that promote and facilitate the critical O-O formation step. This research promotes the development of a diverse and competitive workforce by providing training and career development at the graduate level.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
有了这笔赠款,化学结构,动力学和机制-B计划正在支持威斯康星大学麦迪逊分校的Etienne Garand教授的研究。 该项目着重于提高太阳能转化为化学燃料的基本过程的效率。 人工光合作用是存储太阳能的有前途选择。 水氧化过程是人工光合作用的关键,它包括将水(H2O)分解为氧气(O2)和质子(H+)。 水分分裂的研究挑战在于降低其执行此反应所需的大量额外能量。 为了减少这种能量,已经报道了大量催化剂。 寻找催化剂强调了了解催化水氧化本身的必要性,因此可以应用理性催化剂设计。该研究项目利用了工具的组合 - 质谱和激光光谱 - 探测临界催化复合物,这些复合物是水氧化反应中的中间体。这些研究的结果阐明了这些反应性复合物的结构和反应性,并为计算化学方法提供了严格的基准,然后可用于设计未来的催化剂。 此外,该研究项目通过为学生提供指导,高级培训和职业发展,从而使多样化和竞争性的STEM劳动力受益。该项目将支持该团队参与三个旨在增加STEM多样性的计划;也就是说,ACS通往博士学位的桥梁旨在增加申请研究生课程的竞争性不足的学生的竞争不足的学生;土地为学生提供了一个机会参观化学部门并了解研究生课程的机会,并为有针对性的一年级研究生提供个人指导和支持的催化剂。该研究项目解决了使用太阳能的水氧化机制。这种机制的关键步骤涉及水分子对金属氧化物种的亲核攻击和O-O键的形成。基于NSF早期支持开发的方法,实验方法基于顺序的低温离子陷阱,用于控制离子和簇的受控操作和表征。这提供了产生高反应性中间体并直接探测其结构和反应性的功能。复合物的精确化学结构特征是通过低温离子预处理光谱获得的。 该项目:1)表征了金属氧化络合物的电子结构和自旋状态及其与金属中心的性质以及配体的影响的关系; 2)探索金属氧化物复合物与水分子之间的内在反应性和相互作用,特别关注形成O-O键的倾向及其与M = O组的电子结构的关系; 3)定义碱的作用和扩展的水溶剂网络在诱导结构变化和相互作用中促进和促进关键的O-O形成步骤。这项研究通过在研究生级提供培训和职业发展来促进多样化和竞争性劳动力的发展。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是值得通过基金会的知识分子优点和更广泛的审查标准通过评估来获得支持的。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Spectroscopy and Theoretical Modeling of Tetracene Anion Resonances
并四苯阴离子共振的光谱学和理论模型
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.2c02931
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Sagan, Cole R.;Anstöter, Cate S.;Thodika, Mushir;Wilson, Kenneth D.;Matsika, Spiridoula;Garand, Etienne
  • 通讯作者:
    Garand, Etienne
Tandem Mass-Selective Cryogenic Digital Ion Traps for Enhanced Cluster Formation
  • DOI:
    10.1021/acs.jpca.3c04706
  • 发表时间:
    2023-09-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Roesch,Gina C.;Garand,Etienne
  • 通讯作者:
    Garand,Etienne
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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