Characterization of Photochemical Processes for H2 Production by CdS Nanorod–[FeFe] Hydrogenase Complexes

化学 光化学 光催化 氢化酶 吸收(声学) 纳米棒 电子转移 催化作用 纳米技术 有机化学 光学 物理 材料科学
作者
Katherine A. Brown,Molly B. Wilker,Marko Boehm,Gordana Duković,Paul W. King
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:134 (12): 5627-5636 被引量:375
标识
DOI:10.1021/ja2116348
摘要

We have developed complexes of CdS nanorods capped with 3-mercaptopropionic acid (MPA) and Clostridium acetobutylicum [FeFe]-hydrogenase I (CaI) that photocatalyze reduction of H(+) to H(2) at a CaI turnover frequency of 380-900 s(-1) and photon conversion efficiencies of up to 20% under illumination at 405 nm. In this paper, we focus on the compositional and mechanistic aspects of CdS:CaI complexes that control the photochemical conversion of solar energy into H(2). Self-assembly of CdS with CaI was driven by electrostatics, demonstrated as the inhibition of ferredoxin-mediated H(2) evolution by CaI. Production of H(2) by CdS:CaI was observed only under illumination and only in the presence of a sacrificial donor. We explored the effects of the CdS:CaI molar ratio, sacrificial donor concentration, and light intensity on photocatalytic H(2) production, which were interpreted on the basis of contributions to electron transfer, hole transfer, or rate of photon absorption, respectively. Each parameter was found to have pronounced effects on the CdS:CaI photocatalytic activity. Specifically, we found that under 405 nm light at an intensity equivalent to total AM 1.5 solar flux, H(2) production was limited by the rate of photon absorption (~1 ms(-1)) and not by the turnover of CaI. Complexes were capable of H(2) production for up to 4 h with a total turnover number of 10(6) before photocatalytic activity was lost. This loss correlated with inactivation of CaI, resulting from the photo-oxidation of the CdS capping ligand MPA.
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