Mechanism of photocatalytic hydrogen generation by a polypyridyl-based cobalt catalyst in aqueous solution

Inorganic Chemistry

Volumn 54, Issue 2, 2015, Pages 646-657

  Rodenberg, Alexander ^a   Orazietti, Margherita ^a   Probst, Benjamin ^a   Bachmann, Cyril ^a   Alberto, Roger ^a   Baldridge, Kim K ^a   Hamm, Peter ^a  

^a UNIVERSITY OF ZURICH   (Switzerland)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84922423571     PISSN: 00201669     EISSN: 1520510X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ic502591a     Document Type: Article

References (145)

1. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 15729-15735
2. Cook, T. R.; Dogutan, D. K.; Reece, S. Y.; Surendranath, Y.; Teets, T. S.; Nocera, D. G. Chem. Rev. 2010, 110, 6474-6502
3. Turner, J. A. Science 1999, 285, 687-689
4. Solar Hydrogen Generation; Rajeshwar, K.; McConnell, R. D.; Licht, S., Eds.; Springer: New York, 2008.
5. Bard, A. J.; Fox, M. A. Acc. Chem. Res. 1995, 28, 141-145
6. Steinfeld, A. Sol. Energy 2005, 78, 603-615
7. Abanades, S.; Charvin, P.; Flamant, G.; Neveu, P. Energy 2006, 31, 2805-2822
8. Funk, J. E. Int. J. Hydrogen Energy 2001, 26, 185-190
9. Kodama, T.; Gokon, N. Chem. Rev. 2007, 107, 4048-4077
10. Eroglu, E.; Melis, A. Bioresour. Technol. 2011, 102, 8403-8413
11. McKinlay, J. B.; Harwood, C. S. Curr. Opin. Biotechnol. 2010, 21, 244-251
12. Melis, A.; Happe, T. Plant Physiol. 2001, 127, 740-748
13. Krishna, R. H. Eur. J. Biotechnol. Biosci. 2013, 1, 84-93
14. Grimes, C. A.; Varghese, O. K.; Ranjan, S. Light, Water, Hydrogen: The Solar Generation of Hydrogen by Water Photoelectrolysis; Springer: New York, 2007.
15. Fujishima, A.; Honda, K. Nature 1972, 238, 37-38
16. Reece, S. Y.; Hamel, J. A.; Sung, K.; Jarvi, T. D.; Esswein, A. J.; Pijpers, J. J. H.; Nocera, D. G. Science 2011, 334, 645-648
17. Boettcher, S. W.; Warren, E. L.; Putnam, M. C.; Santori, E. A.; Turner-Evans, D.; Kelzenberg, M. D.; Walter, M. G.; McKone, J. R.; Brunschwig, B. S.; Atwater, H. A.; Lewis, N. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1216-1219
18. Kudo, A.; Miseki, Y. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253-278
19. Grätzel, M. Nature 2001, 414, 338-344
20. Walter, M. G.; Warren, E. L.; McKone, J. R.; Boettcher, S. W.; Mi, Q.; Santori, E. A.; Lewis, N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6446-6473
21. Andreiadis, E. S.; Chavarot-Kerlidou, M.; Fontecave, M.; Artero, V. Photochem. Photobiol. 2011, 87, 946-964
22. Jacques, P.-A.; Artero, V.; Pécaut, J.; Fontecave, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 20627-20632
23. Barber, J.; Tran, P. D. J. R. Soc., Interface 2013, 10, 20120984
24. Wang, M.; Chen, L.; Sun, L. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6763-6778
25. Tran, P. D.; Artero, V.; Fontecave, M. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 727-747
26. Kalyanasundaram, K.; Grätzel, M. Curr. Opin. Biotechnol. 2010, 21, 298-310
27. Chen, X.; Shen, S.; Guo, L.; Mao, S. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6503-6570
28. Abdi, F. F.; Han, L.; Smets, A. H. M.; Zeman, M.; Dam, B.; van de Krol, R. Nat. Commun. 2013, 4, 2195
29. Carmo, M.; Fritz, D. L.; Mergel, J.; Stolten, D. Int. J. Hydrogen Energy 2013, 38, 4901-4934
30. Ezaki, H.; Morinaga, M.; Watanabe, S. Electrochim. Acta 1993, 38, 557-564
31. Conway, B. E.; Tilak, B. V. Electrochim. Acta 2002, 47, 3571-3594
32. McKone, J. R.; Lewis, N. S.; Gray, H. B. Chem. Mater. 2014, 26, 407-414
33. Cobo, S.; Heidkamp, J.; Jacques, P.-A.; Fize, J.; Fourmond, V.; Guetaz, L.; Jousselme, B.; Ivanova, V.; Dau, H.; Palacin, S.; Fontecave, M.; Artero, V. Nat. Mater. 2012, 11, 802-807
34. DuBois, D. L. Inorg. Chem. 2014, 53, 3935-3960
35. Wiese, S.; Kilgore, U. J.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. ACS Catal. 2012, 2, 720-727
36. Helm, M. L.; Stewart, M. P.; Bullock, R. M.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L. Science 2011, 333, 863-866
37. Eckenhoff, W. T.; Eisenberg, R. Dalton Trans. 2012, 41, 13004-13021
38. Artero, V.; Chavarot-Kerlidou, M.; Fontecave, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 7238-7266
39. Gloaguen, F.; Rauchfuss, T. B. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 100
40. Barton, B. E.; Olsen, M. T.; Rauchfuss, T. B. Curr. Opin. Biotechnol. 2010, 21, 292-297
41. Felton, G. A. N.; Mebi, C. A.; Petro, B. J.; Vannucci, A. K.; Evans, D. H.; Glass, R. S.; Lichtenberger, D. L. J. Organomet. Chem. 2009, 694, 2681-2699
42. Losse, S.; Vos, J. G.; Rau, S. Coord. Chem. Rev. 2010, 254, 2492-2504
43. Fisher, B.; Eisenberg, R. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7361-7363
44. Brown, G. M.; Brunschwig, B. S.; Creutz, C.; Endicott, J. F.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 1298-1300
45. Krishnan, C. V.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 2141-2142
46. Krishnan, C. V.; Brunschwig, B. S.; Creutz, C.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 2005-2015
47. Creutz, C.; Sutin, N. Coord. Chem. Rev. 1985, 64, 321-341
48. McNamara, W. R.; Han, Z.; Alperin, P. J.; Brennessel, W. W.; Holland, P. L.; Eisenberg, R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15368-15371
49. Natali, M.; Luisa, A.; Iengo, E.; Scandola, F. Chem. Commun. 2014, 50, 1842-1844
50. Kellett, R. M.; Spiro, T. G. Inorg. Chem. 1985, 24, 2373-2377
51. Varma, S.; Castillo, C. E.; Stoll, T.; Fortage, J.; Blackman, A. G.; Molton, F.; Deronzier, A.; Collomb, M.-N. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 17544-17552
52. Stubbert, B. D.; Peters, J. C.; Gray, H. B. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18070-18073
53. Chen, L.; Wang, M.; Han, K.; Zhang, P.; Gloaguen, F.; Sun, L. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 329
54. Jacobsen, G. M.; Yang, J. Y.; Twamley, B.; Wilson, A. D.; Bullock, R. M.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L. Energy Environ. Sci. 2008, 1, 167
55. Zhang, P.; Jacques, P.-A.; Chavarot-Kerlidou, M.; Wang, M.; Sun, L.; Fontecave, M.; Artero, V. Inorg. Chem. 2012, 51, 2115-2120
56. Probst, B.; Rodenberg, A.; Guttentag, M.; Hamm, P.; Alberto, R. Inorg. Chem. 2010, 49, 6453-6460
57. Probst, B.; Guttentag, M.; Rodenberg, A.; Hamm, P.; Alberto, R. Inorg. Chem. 2011, 50, 3404-3412
58. McCrory, C. C. L.; Uyeda, C.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 3164-3170
59. Hu, X.; Brunschwig, B. S.; Peters, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 8988-8998
60. Hu, X.; Cossairt, B. M.; Brunschwig, B. S.; Lewis, N. S.; Peters, J. C. Chem. Commun. 2005, 4723-4725
61. Du, P.; Schneider, J.; Luo, G.; Brennessel, W. W.; Eisenberg, R. Inorg. Chem. 2009, 48, 4952-4962
62. McCormick, T. M.; Han, Z.; Weinberg, D. J.; Brennessel, W. W.; Holland, P. L.; Eisenberg, R. Inorg. Chem. 2011, 50, 10660-10666
63. McCormick, T. M.; Calitree, B. D.; Orchard, A.; Kraut, N. D.; Bright, F. V.; Detty, M. R.; Eisenberg, R. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15480-15483
64. Lakadamyali, F.; Reisner, E. Chem. Commun. 2011, 47, 1695-1697
65. Wakerley, D. W.; Reisner, E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 5739-5746
66. Razavet, M.; Artero, V.; Fontecave, M. Inorg. Chem. 2005, 44, 4786-4795
67. Bigi, J. P.; Hanna, T. E.; Harman, W. H.; Chang, A.; Chang, C. J. Chem. Commun. 2010, 46, 958-960
68. Sun, Y.; Bigi, J. P.; Piro, N. A.; Tang, M. L.; Long, J. R.; Chang, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9212-9215
69. Sun, Y.; Sun, J.; Long, J. R.; Yang, P.; Chang, C. J. Chem. Sci. 2013, 4, 118-124
70. Nippe, M.; Khnayzer, R. S.; Panetier, J. A.; Zee, D. Z.; Olaiya, B. S.; Head-Gordon, M.; Chang, C. J.; Castellano, F. N.; Long, J. R. Chem. Sci. 2013, 4, 3934-3945
71. Leung, C.-F.; Ng, S.-M.; Ko, C.-C.; Man, W.-L.; Wu, J.; Chen, L.; Lau, T.-C. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7903-7907
72. Mandal, S.; Shikano, S.; Yamada, Y.; Lee, Y.-M.; Nam, W.; Llobet, A.; Fukuzumi, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15294-15297
73. Singh, W. M.; Mirmohades, M.; Jane, R. T.; White, T. A.; Hammarström, L.; Thapper, A.; Lomoth, R.; Ott, S. Chem. Commun. 2013, 49, 8638-8640
74. Singh, W. M.; Baine, T.; Kudo, S.; Tian, S.; Ma, X. A. N.; Zhou, H.; DeYonker, N. J.; Pham, T. C.; Bollinger, J. C.; Baker, D. L.; Yan, B.; Webster, C. E.; Zhao, X. Angew. Chem. 2012, 124, 6043-6046
75. Zhang, P.; Wang, M.; Gloaguen, F.; Chen, L.; Quentel, F.; Sun, L. Chem. Commun. 2013, 49, 9455-9457
76. Guttentag, M.; Rodenberg, A.; Bachmann, C.; Senn, A.; Hamm, P.; Alberto, R. Dalton Trans. 2013, 42, 334-337
77. Bachmann, C.; Guttentag, M.; Spingler, B.; Alberto, R. Inorg. Chem. 2013, 52, 6055-6061
78. Guttentag, M.; Rodenberg, A.; Kopelent, R.; Probst, B.; Buchwalder, C.; Brandstätter, M.; Hamm, P.; Alberto, R. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 2012, 59-64
79. Khnayzer, R. S.; Thoi, V. S.; Nippe, M.; King, A. E.; Jurss, J. W.; El Roz, K. A.; Long, J. R.; Chang, C. J.; Castellano, F. N. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1477-1488
80. Bachmann, C.; Probst, B.; Guttentag, M.; Alberto, R. Chem. Commun. 2014, 50, 6737-6739
81. Marinescu, S. C.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 15127-15131
82. Dempsey, J. L.; Brunschwig, B. S.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1995-2004
83. Chao, T.-H.; Espenson, J. H. J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 129-133
84. Dempsey, J. L.; Winkler, J. R.; Gray, H. B. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 16774-16776
85. Bhattacharjee, A.; Andreiadis, E. S.; Chavarot-Kerlidou, M.; Fontecave, M.; Field, M. J.; Artero, V. Chem.-Eur. J. 2013, 19, 15166-15174
86. Muckerman, J. T.; Fujita, E. Chem. Commun. 2011, 47, 12456-12458
87. Solis, B. H.; Hammes-Schiffer, S. Inorg. Chem. 2011, 50, 11252-11262
88. Tinker, L. L.; McDaniel, N. D.; Bernhard, S. J. Mater. Chem. 2009, 19, 3328-3337
89. Hoffman, M. Z. J. Phys. Chem. 1988, 92, 3458-3464
90. Sun, H.; Hoffman, M. Z. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11719-11726
91. Fukuzumi, S.; Kobayashi, T.; Suenobu, T. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 728-731
92. Sutin, N. J. Photochem. 1979, 10, 19-40
93. Macartney, D. H.; Sutin, N. Inorg. Chim. Acta 1983, 74, 221-228
94. DeLaive, P. J.; Foreman, T. K.; Giannotti, C.; Whitten, D. G. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5627-5631
95. Neshvad, G.; Hoffman, M. Z. J. Phys. Chem. 1989, 93, 2445-2452
96. Chan, S.-F.; Chou, M.; Creutz, C.; Matsubara, T.; Sutin, N. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 369-379
97. Kalyanasundaram, K.; Kiwi, J.; Grätzel, M. Helv. Chim. Acta 1978, 61, 2720-2730
98. Sutin, N.; Creutz, C.; Fujita, E. Comments Inorg. Chem. 1997, 19, 67-92
99. Shan, B.; Baine, T.; Ma, X. A. N.; Zhao, X.; Schmehl, R. H. Inorg. Chem. 2013, 52, 4853-4859
100. Fischer, H.; Radom, L. Angew. Chem., Int. Ed. 2001, 40, 1340-1371
101. Neta, P. Adv. Phys. Org. Chem. 1976, 12, 223-297
102. Wagner, P. J.; Zhang, Y.; Puchalski, A. E. J. Phys. Chem. 1993, 97, 13368-13374
103. Nazran, A. S.; Griller, D. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 1970-1971
104. Turro, N. J.; Lei, X.; Jockusch, S.; Li, W.; Liu, Z.; Abrams, L.; Ottaviani, M. F. J. Org. Chem. 2002, 67, 2606-2618
105. Schuh, H.-H.; Fischer, H. Helv. Chim. Acta 1978, 61, 2130-2164
106. Neta, P.; Grodkowski, J.; Ross, A. B. J. Phys. Chem. Ref. Data 1996, 25, 709-1050
107. Gibian, M. J.; Corley, R. C. Chem. Rev. 1973, 73, 441-464
108. Kelley, R. D.; Klein, R. J. Phys. Chem. 1974, 78, 1586-1595
109. Chan, S. J.; Howe, A. G.; Hook, J. M.; Harper, J. B. Magn. Reson. Chem. 2009, 47, 342-347
110. Orpen, A. G.; Brammer, L.; Allen, F. H.; Kennard, O.; Watson, D. G.; Taylor, R. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1989, S1-S83
111. Wayner, D. D. M.; McPhee, D. J.; Griller, D. J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 132-137
112. King, A. E.; Surendranath, Y.; Piro, N. A.; Bigi, J. P.; Long, J. R.; Chang, C. J. Chem. Sci. 2013, 4, 1578
113. Hori, H.; Ishihara, J.; Koike, K.; Takeuchi, K.; Ibusuki, T.; Ishitani, O. J. Photochem. Photobiol., A 1999, 120, 119-124
114. Georgopoulos, M.; Hoffman, M. Z. J. Phys. Chem. 1991, 95, 7717-7721
115. Kutal, C.; Corbin, A. J.; Ferraudi, G. Organometallics 1987, 6, 553-557
116. Burkey, T. J.; Castelhano, A. L.; Griller, D.; Lossing, F. P. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4701-4703
117. Griller, D.; Lossing, F. P. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 1586-1587
118. Kirch, M.; Lehn, J.-M.; Sauvage, J.-P. Helv. Chim. Acta 1979, 62, 1345-1384
119. Du, P.; Schneider, J.; Jarosz, P.; Eisenberg, R. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7726-7727
120. Wayner, D. D. M.; Dannenberg, J. J.; Griller, D. Chem. Phys. Lett. 1986, 131, 189-191
121. Watanabe, T.; Honda, K. J. Phys. Chem. 1982, 86, 2617-2619
122. Mann, K. R.; Gordon, J. G., II; Gray, H. B. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 3553-3555
123. Marino, N.; Fazen, C. H.; Blakemore, J. D.; Incarvito, C. D.; Hazari, N.; Doyle, R. P. Inorg. Chem. 2011, 50, 2507-2520
124. Bercaw, J. E.; Durrell, A. C.; Gray, H. B.; Green, J. C.; Hazari, N.; Labinger, J. A.; Winkler, J. R. Inorg. Chem. 2010, 49, 1801-1810
125. Connick, W. B.; Marsh, R. E.; Schaefer, W. P.; Gray, H. B. Inorg. Chem. 1997, 36, 913-922
126. Mann, K. R.; Gray, H. B. In Inorganic Compounds with Unusual Properties-II; King, R. B., Ed.; Advances in Chemistry; American Chemical Society: Washington, DC, 1979; Vol. 173, pp 225-235.
127. Rice, S. F.; Milder, S. J.; Gray, H. B.; Goldbeck, R. A.; Kliger, D. S. Coord. Chem. Rev. 1982, 43, 349-354
128. Carr, N.; Crossley, J. G.; Dent, A. J.; Gouge, J. R.; Greaves, G. N.; Jarrett, P. S.; Orpen, A. G. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1990, 1369-1371
129. Novoa, J. J.; Aullón, G.; Alemany, P.; Alvarez, S. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 7169-7171
130. Smith, D. C.; Gray, H. B. Coord. Chem. Rev. 1990, 100, 169-181
131. Rice, S. F.; Gray, H. B. J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 4571-4575
132. Aullón, G.; Alemany, P.; Alvarez, S. Inorg. Chem. 1996, 35, 5061-5067
133. Schrauzer, G. N. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1976, 15, 417-426
134. Toscano, P. J.; Marzilli, L. G. In Progress in Inorganic Chemistry; Lippard, S. J., Ed.; John Wiley & Sons: New York, 1984; pp 105-204.
135. Gupta, B. D.; Roy, S. Inorg. Chim. Acta 1988, 146, 209-221
136. Zhou, D.-L.; Tinembart, O.; Scheffold, R.; Walder, L. Helv. Chim. Acta 1990, 73, 2225-2241
137. Lexa, D.; Saveant, J. M. Acc. Chem. Res. 1983, 16, 235-243
138. Schrauzer, G. N.; Windgassen, R. J. Nature 1967, 214, 492
139. Wiesenburg, D. A.; Guinasso, N. L., Jr. J. Chem. Eng. Data 1979, 24, 356-360
140. Grimme, S. J. Chem. Phys. 2006, 124, 034108
141. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787-1799
142. Weigend, F.; Ahlrichs, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297-3305
143. Baldridge, K.; Klamt, A. J. Chem. Phys. 1997, 106, 6622-6633
144. Klamt, A.; Schüürmann, G. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1993, 799-805
145. Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615-6620