Deciphering Photoinduced Catalytic Reaction Mechanisms in Natural and Artificial Photosynthetic Systems on Multiple Temporal and Spatial Scales Using X-ray Probes

化学 人工光合作用 催化作用 纳米技术 光合作用 自然(考古学) 生物系统 环境化学 光催化 材料科学 生物化学 有机化学 考古 生物 历史
作者
Lin X. Chen,Junko Yano
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:124 (9): 5421-5469 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.3c00560
摘要

Utilization of renewable energies for catalytically generating value-added chemicals is highly desirable in this era of rising energy demands and climate change impacts. Artificial photosynthetic systems or photocatalysts utilize light to convert abundant CO2, H2O, and O2 to fuels, such as carbohydrates and hydrogen, thus converting light energy to storable chemical resources. The emergence of intense X-ray pulses from synchrotrons, ultrafast X-ray pulses from X-ray free electron lasers, and table-top laser-driven sources over the past decades opens new frontiers in deciphering photoinduced catalytic reaction mechanisms on the multiple temporal and spatial scales. Operando X-ray spectroscopic methods offer a new set of electronic transitions in probing the oxidation states, coordinating geometry, and spin states of the metal catalytic center and photosensitizers with unprecedented energy and time resolution. Operando X-ray scattering methods enable previously elusive reaction steps to be characterized on different length scales and time scales. The methodological progress and their application examples collected in this review will offer a glimpse into the accomplishments and current state in deciphering reaction mechanisms for both natural and synthetic systems. Looking forward, there are still many challenges and opportunities at the frontier of catalytic research that will require further advancement of the characterization techniques.
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