JACS金属掺杂Ni OH 2催化H2O辅助胺电催化氧化

小夏 科学 更新 2024-01-30

南京大学的丁梦宁和加州理工学院的威廉戈达德等人在金属掺杂的析氧反应的典型催化剂-Ni(OH)2上报道了一种简单、绿色、安全的电催化途径,用于在温和条件下将胺选择性氧化为腈,并且需要阳极H2O氧化的辅助。 通过控制胺分子的共吸附和催化剂表面羟基之间的平衡,证明MN的掺杂显著促进了胺的后续化学氧化,在99%转化率下,腈的法拉第效率为96%。

密度泛函理论(DFT)计算阐明了胺和水氧化的反应机理和途径。 考虑到苄胺(Ba)的分子尺寸相对较大,R-CH2-NH2结构相似,在计算中采用乙胺作为模型底物。 NIOOH催化的OER中的速率决定步骤(RDS)是在氧上形成具有自由基特性的M-O键。 对于Mn掺杂Niooh催化剂,覆盖2 3 mLo和1 3 MLO的Mn-NiOH表面是最稳定的平衡表面。

与NiOOH的情况类似,对于MN掺杂的NIOOH,OER的RDS是表面Ni位点的O自由基形成步骤。 Co、Ir、Rh 和 Mn 掺杂不促进 O 自由基性质,导致 RDS 的反应自由能 (ΔGRDS) 从 087EV增至130ev。

由于胺分子(与水分子相比)在Niooh或Mn-Niooh表面上的吸附能显着增加,因此将胺引入系统会改变反应途径。 因此,计算了胺氧化过程每一步的δg,RDS是NioOh的第三个去质子化-氧化步骤。

由于胺吸附位点(从Ni到Mn)的变化,Mn-NiOH催化剂表面去质子化步骤的ΔG显著降低,其中OH(来自OER的一部分)在相邻Ni位点的表面吸附有助于并促进胺氧化过程。因此,RDS 成为第二个 H 重排步骤,这在热力学上更容易实现。 这些结果证实了MN掺杂显著促进了胺的氧化。 因此,表面胺分子的存在抑制了OER过程,有利于胺的氧化,而NiOOH中的MN掺杂是该过程抑制OER活性同时促进胺氧化的理想催化剂。

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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