Tuning the O–O bond formation pathways of molecular water oxidation catalysts on electrode surfaces via second coordination sphere engineering
电极表面第二配位环境对水氧化分子催化剂O–O键形成机理的调控
卓启明, 詹绍琦, 段乐乐, 刘畅, 吴秀娟, Marten S.G. Ahlquist, 李福胜*, 孙立成
水氧化反应可以提供四个电子和四个质子,
反应产物是可以资源化的氧气,
因而,
水氧化反应是大规模能源转化和存储技术理想的阳极反应.
但是,
由于水氧化反应具有较高的热力学能垒,
涉及四个电子和四个质子的转移过程以及氧-氧键(O–O)的形成,
是一个耗能高且动力学缓慢的复杂反应.
因此,
开发高效的水氧化催化剂来加速水氧化反应速率,
对于能源转化和存储相关技术至关重要.
然而,
人们对水氧化催化剂的合理设计和在催化反应中提高反应活性的方法了解甚少,
在温和条件下促进O–O键的有效形成仍然是一个根本性的挑战.
迄今为止,
关于水氧化分子催化剂的研究主要集中在催化剂的配位结构(第一配位环境)和催化效率之间的关系上,
水氧化分子催化剂的第二配位环境对其催化活性的影响尚未得到充分研究.
将催化剂引入到电极表面时,
其催化环境和均相反应时完全不同.
因此,
水氧化催化剂在电极表面的催化反应动力学、质子耦合电子转移过程以及其O–O键形成机理可能发生改变.
本文以4-乙烯基吡啶为轴向配体的[Ru(bda)](络合物1,
bda = 2,2’-联吡啶-6,6’-二羧酸)水氧化分子催化剂,
通过电化学聚合的方法将络合物1固载在玻璃碳电极表面,
用于研究第二配位环境对电极表面水氧化分子催化剂催化机理的影响.
通过直接聚合络合物1在玻璃碳表面得到电极材料poly-1@GC； 将4-三氟甲基苯乙烯和苯乙烯作为限制单元分别与络合物1共聚,
得到电极材料poly-1+P3F@GC和poly-1+PSt@GC.
通过一系列电极表面动力学方法和DFT计算分别求出催化剂在三种电极材料中的反应级数ρcata、催化剂的溶液质子-原子转移性质、催化剂的水氧化氘动力学同位素效应KIEsH/D,
以及[Ru(bda)]催化剂在不同材料中的偶极矩的变化.
通过对比催化剂在不同电极材料中的催化行为和相关关键参数发现,
电极表面催化剂的第二层配位环境对其水氧化反应过程中的O–O键形成机制和质子耦合电子转移过程有着显著的影响.
[Ru(bda)]在直接聚合的电极材料poly-1@GC中,
通过自由基耦合机理(I2M)形成O–O键.
而当[Ru(bda)]与4-三氟甲基苯乙烯和苯乙烯共聚时,
由于[Ru(bda)]催化剂被分散,
不利于自由基耦合机理的发生,
[Ru(bda)]在电极材料poly-1+P3F@GC和poly-1+PSt@GC中主要通过水分子亲核进攻机理进行(WNA)催化水氧化.
同时,
具有强偶极矩的4-三氟甲基苯基能够稳定[Ru(bda)]在催化过程的中间体,
可以使引发O–O键生成的关键物种RuV=O的氧化电位发生明显的负向移动,
使得[Ru(bda)]在poly-1+P3F@GC可以更容易触发水氧化反应,
进而加快了[Ru(bda)]采用水分子亲核进攻机理时的催化反应速率.
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