JACS金屬摻雜Ni OH 2催化H2O輔助胺電催化氧化

Mondo 科學 更新 2024-01-30

南京大學的丁夢寧和加州理工學院的威廉戈達德等人在金屬摻雜的析氧反應的典型催化劑-Ni(OH)2上報道了一種簡單、綠色、安全的電催化途徑,用於在溫和條件下將胺選擇性氧化為腈,並且需要陽極H2O氧化的輔助。 通過控制胺分子的共吸附和催化劑表面羥基之間的平衡,證明MN的摻雜顯著促進了胺的後續化學氧化,在99%轉化率下,腈的法拉第效率為96%。

密度泛函理論(DFT)計算闡明了胺和水氧化的反應機理和途徑。 考慮到苄胺(Ba)的分子尺寸相對較大,R-CH2-NH2結構相似,在計算中採用乙胺作為模型底物。 NIOOH催化的OER中的速率決定步驟(RDS)是在氧上形成具有自由基特性的M-O鍵。 對於Mn摻雜Niooh催化劑,覆蓋2 3 mLo和1 3 MLO的Mn-NiOH表面是最穩定的平衡表面。

與NiOOH的情況類似,對於MN摻雜的NIOOH,OER的RDS是表面Ni位點的O自由基形成步驟。 Co、Ir、Rh 和 Mn 摻雜不促進 O 自由基性質,導致 RDS 的反應自由能 (ΔGRDS) 從 087EV增至130ev。

由於胺分子(與水分子相比)在Niooh或Mn-Niooh表面上的吸附能顯著增加,因此將胺引入系統會改變反應途徑。 因此,計算了胺氧化過程每一步的δg,RDS是NioOh的第三個去質子化-氧化步驟。

由於胺吸附位點(從Ni到Mn)的變化,Mn-NiOH催化劑表面去質子化步驟的ΔG顯著降低,其中OH(來自OER的一部分)在相鄰Ni位點的表面吸附有助於並促進胺氧化過程。因此,RDS 成為第二個 H 重排步驟,這在熱力學上更容易實現。 這些結果證實了MN摻雜顯著促進了胺的氧化。 因此,表面胺分子的存在抑制了OER過程,有利於胺的氧化,而NiOOH中的MN摻雜是該過程抑制OER活性同時促進胺氧化的理想催化劑。

yuxia sun, hyeyoung shin, et al. highly selective electrocatalytic oxidation of amines to nitriles assisted by water oxidation on metal-doped α‑ni(oh)2. j. am. chem. soc. (2022)

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