Bidirectional and Unidirectional PCET in a Molecular Model of a Cobalt-Based Oxygen-Evolving Catalyst

作者
Mark D. Symes,Yogesh Surendranath,Daniel A. Lutterman,Daniel G. Nocera
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:133 (14): 5174-5177 被引量:137
标识
DOI:10.1021/ja110908v
摘要

The oxidation of water to molecular oxygen is a kinetically demanding reaction that requires efficient coupling of proton and electron transfer. The key proton-coupled electron transfer (PCET) event in water oxidation mediated by a cobalt-phosphate-based heterogeneous catalyst is the one-electron, one-proton conversion of Co(III)-OH to Co(IV)-O. We now isolate the kinetics of this PCET step in a molecular Co(4)O(4) cubane model compound. Detailed electrochemical, stopped-flow, and NMR studies of the Co(III)-OH to Co(IV)-O reaction reveal distinct mechanisms for the unidirectional PCET self-exchange reaction and the corresponding bidirectional PCET. A stepwise mechanism, with rate-limiting electron transfer is observed for the bidirectional PCET at an electrode surface and in solution, whereas a concerted proton-electron transfer displaying a moderate KIE (4.3 ± 0.2), is observed for the unidirectional self-exchange reaction.

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