Osaka Üniversitesi ve Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden bir grup araştırmacı pikosaniye (ps) ölçeğinde (10-12) meydana gelen yapay fotosentezdeki moleküllerarası etkileşimleri ve yük aktarımlarını direkt olarak gözlemledi.
Yapay fotosentez ya da fotokatalitik reaksiyon, oldukça umut verici bir yeni nesil temiz enerji. Özellikle renyum (Re) komplekslerini kullanan fotokatalitik reaksiyonları oldukça verimli. Verimli fotokatalitik molekülleri yaratmak için pikosaniye zaman ölçeğinde fotokatalitik reaksiyonun nasıl medyana geldiğini incelemek oldukça önemli. Ancak fotokatalitik reaksiyondaki çeşitli fenomenler sebebiyle direkt olarak gözlemlemek oldukça zor.
Yük aktarımı
Araştırmacılar, moleküllerin göreceli pozisyonlarındaki ve yük aktarımındaki değişimler hakkında zaman çözünümlü azaltılmış tam yansıma (TR-ATR) spektroskopisini kullanarak bilgi elde etmeye çalıştı. Fotokatalitik moleküller CO2’yi CO’ya indiriyor ve daha yüksek bir enerji seviyesini açığa çıkarıyor. Ekip, fotokatalitik reaksiyonda meydana gelen trietanolamin’den (TEOA) Re’ye yük transferinin nasıl gerçekleştiğini inceledi.
Frekansı görülebilir ışıktan ve kızılötesi ışıktan daha düşük olan terahertz (THz) dalgalarının kullanımı, THz bölgesindeki moleküllerarası titreşimlerde değişiklik meydana getirdi. Bu da Re kompleksinin etrafındaki TEOA moleküllerinin nasıl hareket ettiğini ve elektron transferlerinin nasıl medyana geldiğini gözlemleme şansı verdi.
Ancak TEOA çözücüsündeki Re’yi gözlemlemek oldukça zor. Bu yüzden ekip, THz bölgesinde TR-ATR uygulamak için azaltılmış tam yansıma spektroskopisini ve THz zaman alanlı spektroskopisini birleştirdi. Buna ek olarak çok hızlı zaman çözünümlü ölçümler yürütebilmek amacıyla basınç sondaj spektroskopisiyle TR-ATR’yi de birleştirdiler.
Sonuç olarak foto-eksitasyon sonrası pikosaniye zaman ölçeğinde üç adımlı yumuşama süreci şöyle gerçekleşti:
- 9 ps’e kadar Re kompleksinin ısısı ışık emilimi sebebiyle keskin bir şekilde arttı, ısı transferi Re iyonlarından TEOA moleküllerine doğru harekete geçirildi ve uyarılmış durum soğudu.
- 10’dan 14 ps’e kadar TEOA molekülleri ve Re iyonları arasındaki mesafe TEOA moleküllerinin dönmesi sebebiyle azaldı.
- 14 ps’ten sonra TEOA’dan RE’ye olan yük aktarımı meydana geldi. Bu pozitif yüklü moleküller arasındaki mesafe soğuk Coulomb gücüyle büyüdü.
Osaka Üniversitesi’nden Profesör Kimura, “THz ışığının kullanımı, fotokatalitik reaksiyondaki indirgeyicinin rolünü gözlemlememize izin verdi. THz bölgesindeki TR-ATR spektroskopisi, yüksek verimli fotokatalitik reaksiyonların geliştirilmesine yardımcı olacak. Spektroskopi vasıtasıyla yüklü dinamikler ve iki molekül arasındaki göreceli hareketin gözlemi, biyoloji ve kimya alanındaki çeşitli reaksiyon süreçleri üzerindeki araştırmalara yardımcı olacak” ifadelerini kullandı.
