A hierarchical cluster-model approach to understand the catalytic water splitting at calcium-manganese-oxide centers

用于理解钙锰氧化物中心催化水分解的分层聚类模型方法

基本信息

项目摘要

Nature realized the solar energy driven catalytic water splitting reaction with earth abundant metal oxides in the oxygen evolving complex in photosystem II. The catalytic center of this complex consists of a CaMn4O5 cluster embedded in protein ligands inside the thylakoid membrane of plants, algae, and cyanobacteria. In this project we aim to develop a new hierarchical approach to probe fundamental concepts of the water splitting reaction employing isolated, mass-selected calcium-manganese-oxide clusters as simplified models of the natural catalytic water splitting center. The reactions of these clusters with water (and other relevant ligands such as isotopically labeled water, O2, H2, etc.) will be systematically studied in a gas phase ion trap experiment as a function of the exact size and composition of the CaxMnyOz clusters (that is, of the complexity of the system). These investigations can provide direct experimental evidence for the ability of the different clusters to dissociate water and to mediate the catalytic formation of H2, O2, or H2O2. Kinetic experiments enable the postulation of the detailed reaction mechanisms and, in conjunction with first principles calculations, permit molecular level insight into the catalytic reactions. Furthermore, selected cluster systems will be investigated by infrared vibrational spectroscopy and ultraviolet/visible photodissociation spectroscopy in order to obtain experimental insight into the geometrical structure of the clusters. Based on all the obtained results it is envisaged to develop a conceptual framework that can provide guidelines for the rational design of calcium-manganese-oxide based catalysts for the splitting of water. In this respect the gas phase experiment offers the unique possibility to precisely control and tune important parameters which determine the catalytic water splitting abilities with hierarchically increasing complexity of the materials like the size of the catalytic center, the oxidation state of the involved manganese atoms, the contribution of the calcium atoms, and the geometrical structure of the active complex.
自然界实现了太阳能驱动的催化水裂解反应与地球丰富的金属氧化物在光系统II中的放氧复合体。该复合物的催化中心由嵌入在植物、藻类和蓝藻类囊体膜内的蛋白质配体中的CaMn 4 O 5簇组成。在这个项目中,我们的目标是开发一种新的分层方法来探测水裂解反应的基本概念,采用孤立的,质量选择的钙锰氧化物簇作为天然催化水裂解中心的简化模型。这些团簇与水(和其他相关配体,如同位素标记的水、O2、H2等)的反应可以被认为是反应的一部分。将在气相离子阱实验中系统地研究作为CaxMnyOz团簇的确切大小和组成的函数(即系统的复杂性)。这些调查可以提供直接的实验证据的能力,不同的集群解离水和介导的催化形成H2,O2,或H2 O2。动力学实验使详细的反应机理的假设,并结合第一原理计算,允许分子水平的洞察到催化反应。此外,选定的集群系统将通过红外振动光谱和紫外/可见光解离光谱,以获得实验洞察集群的几何结构。根据所有获得的结果,设想开发一个概念框架,可以提供指导方针的合理设计的钙锰氧化物为基础的催化剂分解水。在这方面,气相实验提供了独特的可能性,以精确地控制和调整重要的参数,这些参数决定了催化水裂解能力,并具有分层增加的材料复杂性,如催化中心的大小,所涉及的锰原子的氧化态,钙原子的贡献,以及活性络合物的几何结构。

项目成果

期刊论文数量(10)
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Infrared Spectroscopy of Gas Phase MnxOy(CO2)z+ Complexes.
  • DOI:
    10.1021/acs.jpca.9b11258
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Nina Zimmermann;T. Bernhardt;J. Bakker;R. Barnett;U. Landman;S. M. Lang
  • 通讯作者:
    Nina Zimmermann;T. Bernhardt;J. Bakker;R. Barnett;U. Landman;S. M. Lang
Infrared photodissociation spectroscopy of di-manganese oxide cluster cations.
二氧化锰簇阳离子的红外光解光谱
  • DOI:
    10.1039/c9cp04586d
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    N. T. Zimmermann;T. M. Bernhardt;J. M. Bakker;U. Landman;S. M. Lang
  • 通讯作者:
    S. M. Lang
Water Deprotonation via Oxo-Bridge Hydroxylation and 18O-Exchange in Free Tetra-Manganese Oxide Clusters
  • DOI:
    10.1021/jp5106532
  • 发表时间:
    2015-05-21
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Lang, Sandra M.;Fleischer, Irene;Landman, Uzi
  • 通讯作者:
    Landman, Uzi
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