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ChemCatChem:电催化串联合成高值化学品的研究2024-01-19
以绿电驱动的电催化反应具有效能高、可控性强、环境友好等优点,是能源存储与转化领域的研究热点,同时也是未来新能源产业发展的重要方向。当前,电催化领域的研究主要集中在以小分子活化转化为主的一步反应如:析氢反应(HER)、析氧反应(OER)、氧还原反应(ORR)、二氧化碳还原反应(CO2RR)和氮还原反应(NRR)。然而对于涉及到分子多步选择性活化的高值化学品制备,传统电催化反应体系难以拓展,极大地限制了电催化的基础研究和产业推动。电催化串联合成可以集成多种化学反应,将原料顺序转化为复杂的最终产品,是破局高值化学品电化学制备难题的有效方法。

近日,大连理工大学陆安慧教授课题组在ChemCatChem期刊发表了“Tandem Synthesis of Valuable Chemicals via Electrocatalysis”的观点文章,文章综述了将简单原料转化高值化学品的电催化串联合成典型案例,并提出了电催化串联体系的设计准则,包括:(1)电催化产物的直接应用;(2)催化反应协同促进;(3)产物多样性提升;(4)目标产物选择性强化;(5)难题攻克。

 

 

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图一:电催化串联反应设计准则

其中,原位过氧化氢耦合烯烃氧化反应避免了电催化产物的分离存储,可原位生成直接应用,降低了反应能耗,并且原位生成过氧化氢体系中的活性中间体具有较高反应活性;在醇的热催化脱氢反应与电化学氢氧化反应串联体系中,电催化与热催化相互促进,电化学反应可充当氢泵在促进醇脱氢反应正向进行的同时,还可制备高纯度氢;在醇的电氧化反应体系引入亲核试剂氨等则可以拓宽产物范围,获得有机胺产物,而电催化串联氮还原和二氧化碳还原可拓宽了产物范围至合成尿素;在CO2RR体系中,通过设计串联催化剂和串联多步反应则可以使C2+产物的选择性得以提升;针对难以活化的氮气反应物,先使用等离子体活化氮气生成氮氧化物,然后串联氮氧化物的电还原反应可显著提高氨的产率。对于涉及多个电子质子转移的复杂反应硝酸盐还原,串联活性位策略也给出了较优解决方案。

观点文章强调了电催化串联系统在能量效率强化、转化效率增强和惰性反应物活化方面的重要意义。此外,文章还重点介绍了串联系统和催化剂的设计方法,以及反应中间体对催化反应的影响。对串联反应体系和关键中间体的研究将促进对电催化串联反应机理的认识,以及新反应体系的开发。

文信息

Tandem Synthesis of Valuable Chemicals via Electrocatalysis

Ming-Hao Guan, Dr. Tao Wu, Dr. An-Hui Lu

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202301311

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