Protonentransfer zwischen Titandioxid-Oberfläche und Farbstoff zur Bewertung der Photokatalyse beobachtet
Eine zeitliche Veränderung des chemischen Zustands der Titandioxid-Oberfläche während der UV-Licht-Bestrahlung ist mit herkömmlichen Methoden wie der normalen FTIR- oder Raman-Spektroskopie nicht zu beobachten. Daher beobachtete ein Team unter der Leitung von Professor Hiromasa Nishikiori vom RISM der Shinshu-Universität diese Reaktion durch zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie. Das Team stellte die Umwandlung des Monoanions in das Dianion (deprotonierte Spezies) von Fluorescein "in den angeregten Zuständen" fest, bei der das Proton während der UV-Bestrahlung vom Fluorescein-Farbstoff auf die Titandioxid-Oberfläche übergeht, was zuvor nicht durch transiente Absorptionsspektroskopie festgestellt worden war.
Wenn das Titandioxid und der auf seiner Oberfläche adsorbierte Farbstoff mit einem gepulsten Femtosekundenlaser bestrahlt werden, werden Protonen von den Farbstoffmolekülen auf die Titandioxidoberfläche übertragen und die Fluoreszenz des deprotonierten Farbstoffs wird beobachtet.
Reprinted with permission from J. Phys. Chem. C, 2021, 125, 40. 21803-22396 (Supplementary Cover). Copyright 2021 American Chemical Society.
Fluorescein, ein organischer Farbstoff, der empfindlich auf Licht und Säure/Basizität reagiert, wurde als Sondenmolekül an die Oberfläche des Titandioxids adsorbiert. Die Gruppe verwendete eine zeitaufgelöste Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (surface plasmon resonance, SPR) mit einem gepulsten Femtosekundenlaser. Durch die SPR-Spektroskopie mit einem Femtosekundenlaser konnte die Gruppe indirekt den Protonentransferprozess vom Farbstoff auf die Titandioxid-Oberfläche beobachten und die Bildung von basischen Hydroxylgruppen nachweisen.
Die Beobachtung durch die UV-Bestrahlungszeit zeigte, dass die Oberfläche basischer wurde, mit OH-Gruppen auf der Oberfläche des Titandioxids, die die Protonen aus dem Fluorescein-Monoanion aufnimmt. Die zeitaufgelöste Fluoreszenzsondenbeobachtung mit organischen Farbstoffen, die empfindlich auf Licht und Säure/Basizität reagieren, ist eine sehr effektive Methode zur Beobachtung kleiner lichtinduzierter Verhaltensweisen (Protonentransferprozesse), die auf festen Oberflächen in sehr kurzer Zeit auftreten.
Durch die Etablierung der SPR-Spektroskopie-Methode gelang es den Forschern, das Dianionen- und Monoanionenverhältnis des Fluoresceins zu beobachten. Professor Nishikiori hofft, mit der Etablierung dieser einfachen Methode, die es den Forschern ermöglicht, die Aktivität der Photokatalyse zu beobachten und zu bewerten, weiterhin zu Fortschritten bei der Wasserstoffproduktion durch photokatalytische Wasserspaltung beizutragen.
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