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Layered manganese oxides for water-oxidation: alkaline earth cations influence catalytic activity in a photosystem II-like fashion

化学 析氧络合物 催化作用 光系统II 双锰矿 无机化学 X射线吸收光谱法 吸收光谱法 析氧 分解水 光化学 光合作用 光催化 电化学 物理化学 有机化学 氧化锰 物理 量子力学 生物化学 电极
作者
Mathias Wiechen,Ivelina Zaharieva,Holger Dau,Philipp Kurz
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:3 (7): 2330-2330 被引量:254
标识
DOI:10.1039/c2sc20226c
摘要

In reaction sequences for light driven water-splitting into H2 and O2, water-oxidation is a crucial reaction step. In vivo, the process is catalysed within a photoenzyme called photosystem II (PSII) by a μ-oxido CaMn4 cluster, the oxygen-evolving complex (OEC). The OEC is known to be virtually inactive if Ca2+ is removed from its structure. Activity can be restored not only by the addition of Ca2+ but also Sr2+ ions. We have recently introduced layered calcium manganese oxides of the birnessite mineral family as functional synthetic model compounds for the OEC. Here, we present the syntheses of layered manganese oxides where we varied the interlayer cations, preparing a series of K-, Ca-, Sr- and Mg-containing birnessites. Structural motifs within these materials were determined using X-ray absorption spectroscopy (XAS) showing that all materials have similar atomic structures despite their different elemental compositions. Water-oxidation experiments were carried out to elucidate structure-reactivity relations. These experiments demonstrated that the oxides—like the OEC—require the presence of calcium in their structures to reach maximum catalytic activity. As another similarity to the OEC, Sr2+ is the "second best choice" for the secondary cation. The results thus support mechanistic proposals which involve an important catalytic role for Ca2+ in biological water-oxidation. Additionally, they offer valuable hints for the development of synthetic, manganese-based water-oxidation catalysts for artificial photosynthesis.
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