作者:孙宇杰等 来源:《自然—催化》 发布时间:2023/2/22 12:12:05
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法拉第效率接近200%的有机底物电催化双边加氢

 

与传统热催化加氢反应相比,电催化加氢提供了一种更温和的方法。但是,其广泛应用受到一些固有的限制,包括底物的溶解度问题以及后续繁琐的产物从电解液中分离等。通过物理分离活性氢原子的产生和利用,基于钯(Pd)膜反应器的电催化加氢能够克服上述限制。

近日,美国辛辛那提大学孙宇杰团队研究发现,在Pd膜阳极上进行甲醛低电位氧化产生的活性氢原子能够渗透穿过膜电极到达另一侧的化学加氢池。若阴阳两极同时采用Pd膜电极,分别以水和甲醛作为氢源,在两侧的化学池内可以进行相同有机底物的电催化双边加氢,其理论最大法拉第效率可达200%。

2023年2月20日,该研究成果以“Electrocatalytic dual hydrogenation of organic substrates with a Faradaic efficiency approaching 200%”为题,发表在Nature Catalysis期刊上。论文通讯作者为孙宇杰,第一作者为韩冠群。

加氢反应在化学工业中发挥着不可或缺的作用,大约25%的化学过程,例如石油精炼、化工原料制造及制药合成等,都至少包含一个加氢步骤。目前,主流的热催化加氢策略通常以氢气(H2)为氢源,且在高温和高压下进行,其能源密集型的高能耗特点促使人们发展更低成本和更环保的方法。其中,电催化加氢凭借其以可再生能源驱动,水为氢源,且温和的反应条件等优势受到广泛的关注。

电催化加氢通常利用在阴极上产生的吸附氢(H*)与不饱和底物发生加氢反应,与此同时,阳极进行析氧反应或者有机物氧化(图1a)。这一过程具有以下的局限性:(1)过电位较高;(2)加氢和氧化产物的市场需求往往不同;(3)质子电解液的使用极大地限制了加氢底物的溶解度和适用范围;(4)从电解质中分离加氢产物等后续工序会增加额外的能耗。已有文章报道基于Pd膜反应器的电催化阴极加氢可以解决底物溶解度和产物分离的问题。由于Pd膜对氢具有独特的渗透性,Pd膜作为阴极产生的H*可以从电化学池一侧穿透到相邻的化学池中进行加氢反应(图1b)。但由于Pd具有优异的氢氧化反应(HOR)活性,目前尚未有使用Pd膜作为阳极实现H*渗透并进行加氢反应的报道。Pd是一种优异的甲醛氧化反应(FOR)电催化剂,可通过一电子或二电子转移过程进行。据此推测,如果阳极产生的H*可以渗透到与电解液没有接触的化学反应池中,根据一电子转移过程,那么就可以极大地减少或避免电化学池中的HOR,进而实现在化学池中的加氢反应。

鉴于此,辛辛那提大学孙宇杰团队首次报道了同时利用Pd膜电极作为阴阳两极的四室装置加氢策略(图1c),甲醛和水分别作为阳极和阴极的氢源,实现了在电化学池两侧的化学池中同时对同一有机底物进行的双边加氢。

图1:不同的电催化加氢装置示意图

该研究的亮点为:1)碱性条件下,以Pd膜为阳极,低电位甲醛氧化产生的吸附氢原子能够通过Pd膜电极渗透到另一侧化学池中用于有机底物加氢;2)Pd膜作为阴阳两极时,可实现一个电子形成两个吸附氢原子并用于双边加氢,最大理论法拉第效率为200%;3)与传统的单侧电催化加氢相比,此双边加氢策略可以节省至少1V的电压输入,同时使加氢速率和法拉第效率翻倍;4)通过氢同位素研究,证实了Pd膜阳极处的氢源是甲醛,Pd膜阴极处的氢源是水。

图2:使用Pd电极作为阴极和阳极在不同装置下的电催化产氢对比。

图3:电催化双边马来酸加氢生成丁二酸

图4:不同甲醛浓度和马来酸浓度下的电催化双边加氢

图5:不同底物的电催化双边加氢

图6:电催化双边加氢的氢源探究

该研究表明Pd膜阳极上低电位甲醛氧化可以产生氢原子,这些氢原子能够穿过Pd膜电极从电化学池渗透到另一侧的化学池进行加氢反应。当使用两个Pd膜电极作为阴阳两极时,利用水和甲醛作为氢源,该电催化双边加氢策略能够在电化学池外的化学池内同时进行同一有机底物的加氢反应。与传统的单侧电催化加氢相比,该双边加氢策略不仅节省了至少1V的电压输入,而且可以提高加氢速率和法拉第效率。可以预见的是,利用Pd膜电极的可修饰性,该双边加氢策略将适用于许多有机加氢反应。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41929-023-00923-6

 
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