Effective Storage of Electrons in Water by the Formation of Highly Reduced Polyoxometalate Clusters

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作者
Jiajia Chen,Laia Vilà‐Nadal,Albert Solé‐Daura,Greig Chisholm,Takuo Minato,Christoph Busche,Tingting Zhao,Balamurugan Kandasamy,Alexey Y. Ganin,Rachelle M. Smith,Ian Colliard,Jorge J. Carbó,Josep M. Poblet,May Nyman,Leroy Cronin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (20): 8951-8960 被引量:83
标识
DOI:10.1021/jacs.1c10584
摘要

Aqueous solutions of polyoxometalates (POMs) have been shown to have potential as high-capacity energy storage materials due to their potential for multi-electron redox processes, yet the mechanism of reduction and practical limits are currently unknown. Herein, we explore the mechanism of multi-electron redox processes that allow the highly reduced POM clusters of the form {MO3}y to absorb y electrons in aqueous solution, focusing mechanistically on the Wells-Dawson structure X6[P2W18O62], which comprises 18 metal centers and can uptake up to 18 electrons reversibly (y = 18) per cluster in aqueous solution when the countercations are lithium. This unconventional redox activity is rationalized by density functional theory, molecular dynamics simulations, UV-vis, electron paramagnetic resonance spectroscopy, and small-angle X-ray scattering spectra. These data point to a new phenomenon showing that cluster protonation and aggregation allow the formation of highly electron-rich meta-stable systems in aqueous solution, which produce H2 when the solution is diluted. Finally, we show that this understanding is transferrable to other salts of [P5W30O110]15- and [P8W48O184]40- anions, which can be charged to 23 and 27 electrons per cluster, respectively.
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