Phenothiazine redox mediators boost photocatalytic hydrogen evolution

光催化 催化作用 化学 营业额 抗坏血酸 氧化还原 光化学 猝灭(荧光) 电子供体 吩噻嗪 氧化磷酸化 制氢 无机化学 激进的 电子转移 组合化学 过氧化氢 可见光谱 激发态 电子受体
作者
Daniel Baumgarten,Marco Gollasch,Yesleen Gupta,Moritz Jahn,Alexander K. Mengele,Sven Rau,Carsten Streb,Birgit Esser
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-fqktb
摘要

The photocatalytic production of green hydrogen constitutes an important step towards sustainable energy storage. An ambitious goal is to couple reductive and oxidative photocatalysis, i.e., the hydrogen-evolution reaction (HER) with water oxidation to achieve overall water splitting. Herein, we explore a pathway towards such coupled processes by using phenothiazines (PTs) as redox mediators (RMs) in HER. With a photocatalytic system consisting of the thiomolybdate cluster (NH4)2[Mo3S13] as catalyst, ascorbic acid as sacrificial electron donor, and [Ru(bpy)3](PF6)2 (bpy = 2,2′-bipyridine) as photosensitiser (PS), we show that the catalytic performance of the system is improved by a factor of three (increase in turnover number (TON) from 6,760 to 20,660 and in turnover frequency (TOF) from 1,130 h−1 to 3,440 h−1 (for 6h)) with 10H-phenothiazine (PTH) as RM. Stern-Volmer experiments show that PTH and derivatives eiectively quench the excited state of [Ru(bpy)3](PF6)2 – independent of pH – enabling photocatalytic HER to be performed at the lower pH of 2.55, where the catalyst is more active due to a higher availability of protons. A near-linear correlation between the Stern-Volmer-quenching ability of the PT derivatives and the photocatalytic performance suggests the initial reductive quenching step to be rate determining. Our study proposes RMs as a strategy to boost the performance of photocatalytic HER systems by mediating eiicient electron transfers even at low pH values and paves the way towards coupled reductive and oxidative photocatalysis.

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