Published March 11, 2021 | Version v1
Publication Open

Supported polyoxometalates as emerging nanohybrid materials for photochemical and photoelectrochemical water splitting

Creators

  • 1. Lahore University of Management Sciences
  • 2. Quaid-i-Azam University
  • 3. Pakistan Academy of Sciences
  • 4. University of Engineering and Technology Peshawar

Description

Abstract Sunlight and water are among the most plentiful and sustainable resources of energy. Natural photosystem II in the plants uses these resources in ecofriendly manner for the production of atmospheric oxygen and energy. Inspired by this natural process, the development of artificial catalytic system to facilitate the solar-induced water splitting for the continuous production of hydrogen is the holy grail of the chemist and energy experts to meet the future energy demand at minimal environmental cost. Despite considerable research efforts dedicated to this area in the last decade, the development of highly efficient, stable and economic photocatalysts remain a challenging task for the large scale H 2 production from water. Polyoxometalates (POMs)-based materials are emerging photo/photoelectrocatalysts in this quest owing to their multi-electron redox potential and fast reversible charge transfer properties, which are the essential requirements of photo-assisted water splitting catalysis. They are generally soluble in aqueous medium and thus their inherent catalytic/co-catalytic properties can be better exploited by incorporating/immobilizing them over suitable support materials. Therefore, exploration of discrete POM units over the support materials possessing high surface area, functionalizable architecture, flexible pore size and good light harvesting ability is an attractive area of research that has resulted in the generation of a strong library of heterocatalysts. The underlying support not only offers stability and recyclability attributes to the POM units but also provides decent dispersion, easy/maximum accessibility to the active sites, enhanced absorption capability, and synergistically enhances the activity by transfer of electrons and efficient charge/carriers separation by creating POM-support junctions. This mini-review emphasizes on the strategies for the incorporation of POMs on various porous supports like metal-organic frameworks (MOFs), covalent-organic frameworks (COFs), oxide-based semiconductors, carbonaceous materials, etc., and their applications as effective photo/photoelectrocatalysts for water splitting. In addition, the mechanistic study, comparative analysis and the future potential of these novel nanoscale materials is also highlighted. We believe that this review article will provide a new direction and scientific interest at the boundary of materials engineering, and solar-driven chemistry for the sustainable energy conversion/storage processes.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد أشعة الشمس المجردة والمياه من بين أكثر موارد الطاقة وفرة واستدامة. يستخدم النظام الضوئي الطبيعي الثاني في النباتات هذه الموارد بطريقة صديقة للبيئة لإنتاج الأكسجين والطاقة في الغلاف الجوي. مستوحاة من هذه العملية الطبيعية، فإن تطوير نظام حفاز اصطناعي لتسهيل تقسيم المياه الناجم عن الطاقة الشمسية للإنتاج المستمر للهيدروجين هو الكأس المقدسة للكيميائي وخبراء الطاقة لتلبية الطلب المستقبلي على الطاقة بأقل تكلفة بيئية. على الرغم من الجهود البحثية الكبيرة المكرسة لهذا المجال في العقد الماضي، لا يزال تطوير محفزات ضوئية عالية الكفاءة ومستقرة واقتصادية مهمة صعبة لإنتاج H 2 على نطاق واسع من المياه. المواد القائمة على متعددات الأكسدة (POMs) هي محفزات ضوئية/كهروضوئية ناشئة في هذا البحث نظرًا لإمكانات الأكسدة متعددة الإلكترونات وخصائص نقل الشحنة السريعة القابلة للعكس، وهي المتطلبات الأساسية لتحفيز تقسيم المياه بمساعدة الضوء. وهي قابلة للذوبان بشكل عام في وسط مائي، وبالتالي يمكن استغلال خصائصها الحفازة/الحفازة المشتركة بشكل أفضل من خلال دمجها/تجميدها على مواد دعم مناسبة. لذلك، فإن استكشاف وحدات POM المنفصلة على مواد الدعم التي تمتلك مساحة سطح عالية، وهندسة معمارية قابلة للتشغيل، وحجم مسام مرن وقدرة جيدة على حصاد الضوء هو مجال جذاب للبحث أدى إلى إنشاء مكتبة قوية من المحفزات غير المتجانسة. لا يوفر الدعم الأساسي سمات الاستقرار وقابلية إعادة التدوير لوحدات POM فحسب، بل يوفر أيضًا تشتتًا لائقًا، وإمكانية وصول سهلة/قصوى إلى المواقع النشطة، وقدرة امتصاص معززة، ويعزز النشاط بشكل تآزري عن طريق نقل الإلكترونات وفصل الشحنة/الناقلات بكفاءة من خلال إنشاء تقاطعات دعم POM. تؤكد هذه المراجعة المصغرة على استراتيجيات دمج POMs على مختلف الدعامات المسامية مثل الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، والأطر التساهمية العضوية (COFs)، وأشباه الموصلات القائمة على الأكسيد، والمواد الكربونية، وما إلى ذلك، وتطبيقاتها كمحفزات ضوئية/كهروضوئية فعالة لتقسيم المياه. بالإضافة إلى ذلك، يتم أيضًا تسليط الضوء على الدراسة الميكانيكية والتحليل المقارن والإمكانات المستقبلية لهذه المواد النانوية الجديدة. نعتقد أن مقالة المراجعة هذه ستوفر اتجاهًا جديدًا واهتمامًا علميًا على حدود هندسة المواد والكيمياء التي تعتمد على الطاقة الشمسية لعمليات تحويل/تخزين الطاقة المستدامة.

Translated Description (French)

Résumé La lumière du soleil et l'eau sont parmi les ressources énergétiques les plus abondantes et les plus durables. Le photosystème naturel II dans les plantes utilise ces ressources de manière écologique pour la production d'oxygène et d'énergie atmosphériques. Inspiré par ce processus naturel, le développement d'un système catalytique artificiel pour faciliter la séparation de l'eau induite par l'énergie solaire pour la production continue d'hydrogène est le Saint Graal du chimiste et des experts en énergie pour répondre à la demande énergétique future à un coût environnemental minimal. Malgré les efforts de recherche considérables consacrés à ce domaine au cours de la dernière décennie, le développement de photocatalyseurs hautement efficaces, stables et économiques reste une tâche difficile pour la production à grande échelle de H 2 à partir de l'eau. Les matériaux à base de polyoxométalates (pom) sont des photo/photoélectrocatalyseurs émergents dans cette quête en raison de leur potentiel d'oxydo-réduction multi-électrons et de leurs propriétés de transfert de charge réversible rapide, qui sont les exigences essentielles de la catalyse de séparation d'eau photo-assistée. Ils sont généralement solubles dans un milieu aqueux et donc leurs propriétés catalytiques/co-catalytiques inhérentes peuvent être mieux exploitées en les incorporant/immobilisant sur des matériaux de support appropriés. Par conséquent, l'exploration d'unités POM discrètes sur les matériaux de support possédant une surface élevée, une architecture fonctionnalisable, une taille de pore flexible et une bonne capacité de collecte de lumière est un domaine de recherche attrayant qui a abouti à la génération d'une solide bibliothèque d'hétéro-catalyseurs. Le support sous-jacent offre non seulement des attributs de stabilité et de recyclabilité aux unités pom, mais fournit également une dispersion décente, une accessibilité facile/maximale aux sites actifs, une capacité d'absorption améliorée et améliore de manière synergique l'activité par transfert d'électrons et une séparation efficace charge/porteurs en créant des jonctions pom-support. Cette mini-revue met l'accent sur les stratégies d'incorporation de pom sur divers supports poreux tels que les cadres organométalliques (MOF), les cadres organo covalents (COF), les semi-conducteurs à base d'oxyde, les matériaux carbonés, etc., et leurs applications en tant que photo/photoélectrocatalyseurs efficaces pour la séparation de l'eau. En outre, l'étude mécanistique, l'analyse comparative et le potentiel futur de ces nouveaux matériaux à l'échelle nanométrique sont également mis en évidence. Nous pensons que cet article de synthèse fournira une nouvelle orientation et un nouvel intérêt scientifique à la frontière de l'ingénierie des matériaux et de la chimie solaire pour les processus de conversion/stockage d'énergie durable.

Translated Description (Spanish)

Resumen La luz solar y el agua se encuentran entre los recursos energéticos más abundantes y sostenibles. El fotosistema natural II en las plantas utiliza estos recursos de manera ecológica para la producción de oxígeno y energía atmosférica. Inspirado en este proceso natural, el desarrollo de un sistema catalítico artificial para facilitar la división del agua inducida por la energía solar para la producción continua de hidrógeno es el santo grial de los químicos y expertos en energía para satisfacer la futura demanda de energía a un costo ambiental mínimo. A pesar de los considerables esfuerzos de investigación dedicados a esta área en la última década, el desarrollo de fotocatalizadores altamente eficientes, estables y económicos sigue siendo una tarea difícil para la producción de H 2 a gran escala a partir del agua. Los materiales basados en polioxometalatos (POM) están surgiendo foto/fotoelectrocatalizadores en esta búsqueda debido a su potencial redox multielectrónico y sus propiedades de transferencia de carga reversible rápida, que son los requisitos esenciales de la catálisis de división de agua fotoasistida. Generalmente son solubles en medio acuoso y, por lo tanto, sus propiedades catalíticas/cocatalíticas inherentes se pueden explotar mejor incorporándolas/inmovilizándolas sobre materiales de soporte adecuados. Por lo tanto, la exploración de unidades POM discretas sobre los materiales de soporte que poseen una gran área de superficie, arquitectura funcionalizable, tamaño de poro flexible y buena capacidad de recolección de luz es un área atractiva de investigación que ha resultado en la generación de una sólida biblioteca de heterocatalizadores. El soporte subyacente no solo ofrece atributos de estabilidad y reciclabilidad a las unidades POM, sino que también proporciona una dispersión decente, accesibilidad fácil/máxima a los sitios activos, capacidad de absorción mejorada y mejora sinérgicamente la actividad mediante la transferencia de electrones y la separación eficiente de carga/portadores mediante la creación de uniones de soporte POM. Esta mini revisión enfatiza las estrategias para la incorporación de POM en diversos soportes porosos como marcos metal-orgánicos (MOF), marcos covalentes-orgánicos (COF), semiconductores a base de óxidos, materiales carbonosos, etc., y sus aplicaciones como foto/fotoelectrocatalizadores efectivos para la división del agua. Además, también se destaca el estudio mecanicista, el análisis comparativo y el potencial futuro de estos novedosos materiales a nanoescala. Creemos que este artículo de revisión proporcionará una nueva dirección e interés científico en el límite de la ingeniería de materiales y la química impulsada por la energía solar para los procesos de conversión/almacenamiento de energía sostenible.

Files

pdf.pdf

Files (5.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:740899d9c35330ace2ee041d7247ed1a
5.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
البولي أوكسوميتالات المدعومة كمواد هجينة نانوية ناشئة لتقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية والكهروضوئية
Translated title (French)
Prise en charge des polyoxométalates en tant que matériaux nanohybrides émergents pour la séparation photochimique et photoélectrochimique de l'eau
Translated title (Spanish)
Polioxometalatos soportados como materiales nanohíbridos emergentes para la división del agua fotoquímica y fotoelectroquímica

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3137496409
DOI
10.1515/nanoph-2020-0542

Is supplement to
https://openalex.org/W4299901243 (Other)
https://openalex.org/W3096223799 (Other)
https://openalex.org/W2940469323 (Other)
https://openalex.org/W2910047566 (Other)
https://openalex.org/W2796437520 (Other)
https://openalex.org/W2234855905 (Other)
https://openalex.org/W2184431689 (Other)
https://openalex.org/W2060659573 (Other)
https://openalex.org/W1987670822 (Other)
https://openalex.org/W1986695684 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1257920269
  • https://openalex.org/W1578624158
  • https://openalex.org/W1591876320
  • https://openalex.org/W1913589860
  • https://openalex.org/W1965296958
  • https://openalex.org/W1968150733
  • https://openalex.org/W1969142803
  • https://openalex.org/W1970055485
  • https://openalex.org/W1973373124
  • https://openalex.org/W1973642378
  • https://openalex.org/W1975385699
  • https://openalex.org/W1976277089
  • https://openalex.org/W1976462669
  • https://openalex.org/W1979112470
  • https://openalex.org/W1979475423
  • https://openalex.org/W1985954127
  • https://openalex.org/W1986173767
  • https://openalex.org/W1987000520
  • https://openalex.org/W1989475590
  • https://openalex.org/W1995877677
  • https://openalex.org/W1997808453
  • https://openalex.org/W2001005595
  • https://openalex.org/W2001270915
  • https://openalex.org/W2003095845
  • https://openalex.org/W2006963892
  • https://openalex.org/W2007661885
  • https://openalex.org/W2015122610
  • https://openalex.org/W2022691920
  • https://openalex.org/W2027227411
  • https://openalex.org/W2028498282
  • https://openalex.org/W2029212365
  • https://openalex.org/W2031514513
  • https://openalex.org/W2034223398
  • https://openalex.org/W2035127456
  • https://openalex.org/W2035402871
  • https://openalex.org/W2037991128
  • https://openalex.org/W2041777132
  • https://openalex.org/W2042213501
  • https://openalex.org/W2043961251
  • https://openalex.org/W2044469398
  • https://openalex.org/W2046398941
  • https://openalex.org/W2048655173
  • https://openalex.org/W2051306215
  • https://openalex.org/W2052812912
  • https://openalex.org/W2057034425
  • https://openalex.org/W2060132552
  • https://openalex.org/W2062269633
  • https://openalex.org/W2065639453
  • https://openalex.org/W2067129945
  • https://openalex.org/W2070035569
  • https://openalex.org/W2072758315
  • https://openalex.org/W2075408029
  • https://openalex.org/W2081717054
  • https://openalex.org/W2083621918
  • https://openalex.org/W2085748635
  • https://openalex.org/W2087709529
  • https://openalex.org/W2089963954
  • https://openalex.org/W2091852645
  • https://openalex.org/W2094484599
  • https://openalex.org/W2104520603
  • https://openalex.org/W2112213147
  • https://openalex.org/W2127222451
  • https://openalex.org/W2128172145
  • https://openalex.org/W2146278879
  • https://openalex.org/W2150515594
  • https://openalex.org/W2154209366
  • https://openalex.org/W2167340934
  • https://openalex.org/W2172013416
  • https://openalex.org/W2189000696
  • https://openalex.org/W2189278762
  • https://openalex.org/W2233429724
  • https://openalex.org/W2289788055
  • https://openalex.org/W2294771164
  • https://openalex.org/W2313576386
  • https://openalex.org/W2319620559
  • https://openalex.org/W2332229576
  • https://openalex.org/W2334001409
  • https://openalex.org/W2334590194
  • https://openalex.org/W2336043143
  • https://openalex.org/W2336170230
  • https://openalex.org/W2336634601
  • https://openalex.org/W2341179493
  • https://openalex.org/W2344740129
  • https://openalex.org/W2345647684
  • https://openalex.org/W2375354469
  • https://openalex.org/W2386172027
  • https://openalex.org/W2401998070
  • https://openalex.org/W2410757857
  • https://openalex.org/W2461744504
  • https://openalex.org/W2471084393
  • https://openalex.org/W2511079777
  • https://openalex.org/W2516341046
  • https://openalex.org/W2546891326
  • https://openalex.org/W2550520223
  • https://openalex.org/W2563028265
  • https://openalex.org/W2589661501
  • https://openalex.org/W2593845902
  • https://openalex.org/W2609277956
  • https://openalex.org/W2610220596
  • https://openalex.org/W2625915305
  • https://openalex.org/W2642973865
  • https://openalex.org/W2646345476
  • https://openalex.org/W2720073880
  • https://openalex.org/W2735027558
  • https://openalex.org/W2735358775
  • https://openalex.org/W2738278191
  • https://openalex.org/W2738615260
  • https://openalex.org/W2749064379
  • https://openalex.org/W2753216660
  • https://openalex.org/W2754008923
  • https://openalex.org/W2754835600
  • https://openalex.org/W2763910699
  • https://openalex.org/W2765271887
  • https://openalex.org/W2766233190
  • https://openalex.org/W2771104188
  • https://openalex.org/W2784209587
  • https://openalex.org/W2789316831
  • https://openalex.org/W2789375588
  • https://openalex.org/W2790881009
  • https://openalex.org/W2791630388
  • https://openalex.org/W2795888102
  • https://openalex.org/W2800233264
  • https://openalex.org/W2801383447
  • https://openalex.org/W2802618511
  • https://openalex.org/W2803846864
  • https://openalex.org/W2804242697
  • https://openalex.org/W2807926771
  • https://openalex.org/W2808467654
  • https://openalex.org/W2808546430
  • https://openalex.org/W2809955664
  • https://openalex.org/W2817001255
  • https://openalex.org/W2846321941
  • https://openalex.org/W2885432979
  • https://openalex.org/W2888924385
  • https://openalex.org/W2889036227
  • https://openalex.org/W2900978566
  • https://openalex.org/W2909749742
  • https://openalex.org/W2910453006
  • https://openalex.org/W2921009153
  • https://openalex.org/W2921484027
  • https://openalex.org/W2937398545
  • https://openalex.org/W2942048609
  • https://openalex.org/W2944311551
  • https://openalex.org/W2946384790
  • https://openalex.org/W2954989360
  • https://openalex.org/W2957579326
  • https://openalex.org/W2964330105
  • https://openalex.org/W2967197658
  • https://openalex.org/W2986811107
  • https://openalex.org/W2990794392
  • https://openalex.org/W2991521965
  • https://openalex.org/W2996151630
  • https://openalex.org/W2999066799
  • https://openalex.org/W3001602734
  • https://openalex.org/W3004960184
  • https://openalex.org/W3005194322
  • https://openalex.org/W3017372477
  • https://openalex.org/W3030505579
  • https://openalex.org/W3031880711
  • https://openalex.org/W3036294915
  • https://openalex.org/W3037270867
  • https://openalex.org/W3042040813
  • https://openalex.org/W3045684888
  • https://openalex.org/W3080968729
  • https://openalex.org/W3089540061
  • https://openalex.org/W3095606723
  • https://openalex.org/W3114891946
  • https://openalex.org/W4231737987
  • https://openalex.org/W4236127883
  • https://openalex.org/W4245248076