Une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka, en coopération avec l'Institut de technologie de Tokyo, transfert de charge et interactions intermoléculaires directement observés dans la photosynthèse artificielle qui se produit à l'échelle de la picoseconde (ps) (10 ^-12 ). Avec la spectroscopie de réflexion totale atténuée à résolution temporelle (TR-ATR) dans la région térahertz (THz), ils ont révélé le processus de photosynthèse artificielle [Re(CO) 2 (bpy) {P(OEt) 3 } 2 ](PF 6 ) dans le solvant Triéthanolamine (TEOA) comme réducteur. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Rapports scientifiques .

Photosynthèse artificielle, ou une réaction photocatalytique pour produire de l'énergie chimique à partir d'oxyde de carbone (CO 2 ) Et léger, est, comme avec une batterie solaire, une énergie propre de nouvelle génération prometteuse. En particulier, la réaction photocatalytique utilisant des complexes de rhénium (Re) est très efficace. Afin de créer des molécules photocatalytiques efficaces, il est nécessaire d'examiner comment se déroule la réaction photocatalytique à l'échelle de la picoseconde. Cependant, il était impossible d'observer directement divers phénomènes dans la réaction photocatalytique.

Les chercheurs ont tenté d'obtenir des informations sur les changements dans les positions relatives des molécules et le transfert de charge en utilisant la spectroscopie à réflexion totale atténuée à résolution temporelle (TR-ATR). Les molécules photocatalytiques qui absorbent la lumière facilitent le CO 2 réduction en CO, l'amener à un niveau d'énergie plus élevé. Ils ont examiné comment le transfert de charge du réducteur TEOA à Re s'est produit dans une réaction photocatalytique.

Parce que l'utilisation des ondes THz, dont la fréquence est inférieure à celles de la lumière visible et de la lumière infrarouge, révèle des changements dans les vibrations intermoléculaires (c'est-à-dire, énergies de liaison entre deux molécules voisines) dans la région THz (basse fréquence), cela permet d'observer comment les molécules de TEOA autour du complexe Re se déplacent et comment se produit le transfert d'électrons.

Cependant, étant donné que la plupart des solvants utilisés dans les études photocatalytiques ont une intensité d'absorption élevée dans la région THz, il est difficile d'observer Re dans le solvant TEOA. Ainsi, l'équipe a combiné la spectroscopie de réflexion totale atténuée et la spectroscopie dans le domaine temporel THz pour effectuer TR-ATR dans la région THz.

En outre, pour effectuer les mesures résolues en temps ultrarapides, ils ont combiné la spectroscopie de sonde de pompe avec TR-ATR, observer comment les molécules de TEOA se sont déplacées et comment le transfert d'électrons s'est produit à l'échelle de la picoseconde lors d'une réaction photocatalytique, une première mondiale. En spectroscopie à sonde de pompe, une impulsion de pompage avec une longueur d'onde de 400 nm a excité un échantillon, puis une impulsion de sonde (impulsion THz) a été utilisée pour sonder l'échantillon après un temps de retard réglable. Par conséquent, ils ont pu révéler le mode vibrationnel intermoléculaire avec un processus de relaxation en trois étapes sur une échelle de temps de la picoseconde après photo-excitation :

• Jusqu'à 9ps, la température du complexe Re a fortement augmenté en raison de l'absorption de la lumière, induire un transfert de chaleur des ions Re vers les molécules de TEOA, et l'état excité s'est refroidi.
• De 10 à 14 ps, la distance entre les molécules TEOA et les ions Re a été réduite par la rotation des molécules TEOA.
• Après 14 ps, transfert de charge de la TEOA à Re a eu lieu. La distance entre ces molécules chargées positivement a augmenté par la force répulsive de Coulomb, les séparant.

Le professeur Kimura de l'université d'Osaka a déclaré :"L'utilisation de la lumière THz nous permet d'observer le rôle du réducteur dans la réaction photocatalytique. La spectroscopie TR-ATR dans la région THz permettra de développer des réactions photocatalytiques très efficaces. L'observation du mouvement relatif entre deux molécules et la dynamique de charge par spectroscopie contribuera à la recherche sur divers processus de réaction dans les domaines de la biologie et de la chimie."