过氧化氢生产与利用的新进展

过氧化氢既可用作环境友好的绿色氧化剂,也可用作燃料电池中的太阳能燃料,因而受到越来越多的关注.本文综述了太阳能驱动分子氧氧化水制备过氧化氢及其作为绿色氧化剂和燃料的研究进展.利用太阳能将水的e^-和4e^-氧化与分子氧的e^-还原相结合,使光催化生产过氧化氢成为可能;本文讨论了与e^-和4e^-水氧化选择性及e^-和4e^-氧还原选择性相关的催化反应控制.由于光催化e^-氧化水和e^-还原分子氧的过程都产生过氧化氢,因此该组合的催化效率较高.太阳能光驱动水氧化及分子氧还原生产过氧化氢与过氧化氢催化氧化底物相结合,在该过程中分子氧用作最环保的氧化剂.     

缓冲溶液阴离子对三价铜催化剂催化水氧化过程的影响

水氧化是光解水制氢气的瓶颈反应,认识和理解水氧化机制并研发廉价稳定的催化剂对解决这一问题尤为重要.自1982年Meyer课题组报道了第一例分子型双核钌水氧化催化剂(blue dimer)以来,过渡金属配合物被广泛应用于探索这一氧化过程的规律和机理,特别是近几年廉价金属配合物在水氧化领域的应用也备受关注.由于水氧化一般在苛刻的氧化条件下才可以实现,如何提高过渡金属配合物在催化条件下的稳定性一直是分子催化剂结构设计的一个难点.利用部分分子催化剂的不稳定性,将其作为前体制备非均相金属氧化物催化剂,广泛用于水氧化研究.然而,对于催化水氧化过程中造成分子催化剂不稳定的因素却鲜有探讨.因此,了解分子催化剂和异相活性物种之间原位转化的机理对于分子催化剂设计至关重要.本文考察了大环配体(TAML)的三价铜配合物(TAML-CuⅢ)的氧化还原性质及其电催化水氧化的反应性能.实验结果表明,TAML-CuⅢ的催化水氧化活性与缓冲溶液种类有关,在磷酸盐溶液与碳酸氢钠溶液中均无催化活性,而在硼酸溶液中表现出较高的催化活性.此外,TAML-CuⅢ工具有与本课题组之前报道的TAML-CoⅢ截然不同的电化学行为.TAML-CuⅢ只能发生配体的单电子氧化生成TAML·+-CdⅢ,且该物种无法实现对水分子的活化.进一步实验结果表明,生成的TAML·+-CuⅢ在硼酸根的协助下可以发生进一步氧化和配体的水解,从而生成具有高活性的非均相物种.研究表明该活性物种为含硼的氧化铜物种(B/CuOx).通过本文研究可得出两个结论:(1)具有平面四方构型的三价铜配合物不是一种有效催化水氧化的分子型催化剂;(2)缓冲阴离子在分子催化剂的分解中起到了关键作用.因此,缓冲溶液的选择对催化剂的电化学行为以及稳定性有着重要的影响.     

W具有μ-OH,μ-O2双钴核结构的基于多吡啶配体的配合物催化水氧化反应的能力

化石燃料的大量使用已经带来了一系列的环境问题, 开发和使用可再生的清洁能源十分有必要. 氢能可以作为传统化石燃料的理想替代品, 因为它不但清洁而且热值高. 受光合作用启发的水裂解反应被认为是一种将太阳能转化为氢能的理想途径. 水裂解包括两个半反应, 即水的氧化(2H2O → 4H++ O2+ 4e-)和质子的还原(4H++ 4e-→ 2H2). 水氧化反应需要高的活化能, 因此它也被认为是水裂解反应的瓶颈步骤. 为了提高水氧化反应的效率, 已经有很多关于水氧化催化剂的研究工作被开展. 然而, 迄今为止, 寻找高效的水氧化催化剂仍然是巨大挑战. 考虑到成本以及丰度的因素, 基于第一过渡系金属的水氧化催化剂日益受人关注. 相比于多相水氧化催化剂, 均相的水氧化催化剂, 特别是基于有机配合物的均相催化剂, 在结构调变, 机理研究方面更具有优势. 均相的水氧化催化剂主要分两类: 无机的多金属氧酸盐和基于有机配体的配合物.在所有的均相的水氧化催化剂中, 含钴的配合物被广泛研究, 因为在光驱动水氧化反应中它们通常能表现出来较好的活性. 很多研究工作都集中于研究多核的含钴的均相催化剂, 特别是具有Co4O4框架立方烷结构的配合物, 因为它们具有类似于自然界光合作用光系统II活性中心Mn4CaO5簇的结构. 例如, Co4O4(Ac)4(py)4簇以及相关衍生物曾被报道过用于水氧化反应,然而Nocera等人发现该化合物本身没有活性(J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 17681-17688),表观的活性来源于催化 剂 合 成 过 程 中 引 入 的 二 价 钴 离 子. 2014年, 一 个 具 有 双 核 钴 核 心 结 构 的 多 吡 啶 配 合 物[(TPA)CoⅢ(μ-OH)(μ-O2)CoⅢ(TPA)](ClO4)3被报道具有催化光驱动水氧化反应的能力. 然而随后的研究工作(ACS Catal., 2016, 6, 5062-5068)表明其表观活性也是来自于自由钴离子杂质, 纯的化合物是没有活性的.在检查一个均相分子水氧化催化剂的时候, 应当进行充分的实验, 特别是对于钴基的水氧化催化剂. 因为在合成含钴配合物的过程中可能引入杂质钴离子, 杂质钴离子在反应过程中会转化为CoOx, 它本身就是很常见的高效的水氧化催化剂. 在定性一个真正的均相的钴基水氧化催化剂之前, 这一可能性必须要被排除. 在这里我们报道了另外一个同样以双三价钴离子为核心的, 具有μ-OH, μ-O2结构的基于多吡啶配体的均相配合物. 我们通过一系列的实验验证了它催化光驱动水氧化反应的能力. 实验证明, 该化合物没有催化活性, 表观活性依然是来自于合成过程中引入的杂质钴离子. 这一结果与之前的报道相比, 既是进一步的探索, 也是一个很好的补充. 结合前人的工作, 我们发现并总结了一个规律: 以双核三价钴为核心的, 拥有μ-OH, μ-O2核心结构的基于多吡啶配体的配合物不适合被选用于催化光驱动水氧化反应. 这一发现能为高效水氧化催化剂的开发设计提供见解与指导.     

基于立方烷结构的分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展

随着化石燃料大量使用带来的气候变化和环境污染问题日趋严重,寻找清洁高效的可再生能源用做传统化石燃料的替代品,已经成为当前的研究热点。光驱动的水分解反应被认为是太阳能制氢的可行途径。水的全分解包括两个半反应-水的氧化和质子还原。其中水的氧化反应是一个涉及四个电子和四个质子转移的复杂过程,需要很高的活化能,被认为是全分解水反应的瓶颈步骤。因此,开发高效、稳定、廉价丰产的水氧化催化剂是人工光合作用突破的关键因素。立方烷具有类似自然界光合作用酶光系统II(PSII)活性中心Mn_4CaO_5簇的结构,世界各国的科学家受自然界光合作用的启发,开发出了许多基于过渡金属的立方烷结构的催化剂,常见的有锰、钴和铜等立方烷催化剂。本文简要地综述了近年来立方烷分子催化剂在光催化水氧化中的研究进展。首先介绍了立方烷基光催化水氧化反应历程,继而详细介绍了基于有机配体的立方烷配合物和全无机的多金属氧酸盐立方烷水氧化催化剂,其次是半导体(BiVO4或聚合的氮化碳(PCN))为捕光材料复合立方烷分子催化剂的水氧化体系最新研究进展。最后总结并展望了该领域所面临的挑战及其前景。     

单核第一过渡周期金属水氧化催化剂（英文）

由于传统化石能源的不可再生性,其储量日益减少.同时,传统化石能源的使用对环境产生了巨大影响,给人类社会带来了一系列问题,包括温室效应、酸雨等.因此,进入二十一世纪以后,人类面临着日益严峻的能源危机和环境问题,寻找清洁、高效的替代能源已经迫在眉睫.太阳能被认为是一种洁净的可再生能源.自然界通过光合作用将太阳能转化为化学能,在这一过程中,水被氧化产生氧气,同时释放出的电子和质子通过和二氧化碳作用生成碳水化合物.为了模拟这一过程,人工光合作用可以直接将电子和质子结合形成氢气.由此生成的氢气也被认为是洁净的可再生能源,因为在其燃烧过程中只产生水.因此,通过光致水分解析氢析氧的人工光合作用受到了越来越广泛的重视.水分解可以分为两个独立的半反应,即水的氧化析氧和水的还原析氢.水的氧化无论在热力学还是动力学方面,都存在着非常大的阻碍.在热力学上,两分子的水氧化生成一分子氧气需要提供很多能量(ΔE=1.23 V vs NHE).在动力学上,由于涉及到四个氢原子和两个氧原子的重组,并且涉及到氧氧键形成并释放出一分子氧气,因此水氧化是一个非常缓慢的过程.在自然界,水的氧化主要发生在光合作用中,在绿色植物的叶绿体中完成.通过对光合作用的研究,科学家们发现氧气的产生由光系统Ⅱ(PSII)中的释氧中心来完成.释氧中心是一个钙锰簇合物,由四个锰和一个钙组成(Mn_4CaO_x).自然界水分解产生氧气的过程给了我们很大启示,对设计和研究高效稳定的水氧化催化剂具有一定的指导意义.目前水氧化催化剂主要有两大类.第一类是基于材料的水氧化催化剂.该类催化剂的催化效率高,过电势小,但是对水氧化催化过程的机理缺乏深入研究.第二类是基于金属配合物的分子催化剂.相比基于材料的催化剂,分子催化剂具有以下特点:(1)分子催化剂的结构可以通过实验手段表征清楚;(2)可以结合光谱对水氧化的机理进行深入研究,可以对催化过程中间体进行表征;(3)催化剂的结构可以从分子水平上进行修饰,因此可以更好地研究催化效率与结构之间的关系,为设计高效、稳定的催化剂提供必要信息;(4)比较容易组装成分子器件从而应用到实际的水氧化装置中;(5)通过实验与理论的结合,对氧氧成键提出新的认识与理解.近几年来,一些单核的金属配合物逐渐被发现可以高效、稳定地催化水氧化.研究表明,一些基于钌和铱的催化剂具有良好的催化活性,但由于金属钌和铱储量少、价格昂贵等因素,限制了该类催化剂的大量使用.由于第一过渡系金属元素具有储量丰富、安全无毒、廉价易得等优势,第一过渡周期金属化合物逐渐成为科学家们研究的热点.近几年来,基于第一过渡系金属的水氧化催化剂已经有大量报道.本文主要总结了近几年来基于第一过渡系金属的单核水氧化分子催化剂.通过对催化机理进行深入的讨论,特别是对氧氧成键的总结,本文将对设计合成结构新颖、具有高催化效率和良好稳定性的水氧化分子催化剂提供理论依据.     

CdS的空气氧化与水的脱附研究

利用X光电子能谱(XPS)、脱附四极质谱和原位红外技术,对粉末CdS的表面氧化和水的脱附进行了研究.结果表明,伴随着CdS表面组成和空气中储存时间的变化,四极质谱可检测出4种脱附温度不同的水.还发现经高温短时间处理后,在CdS颗粒表面形成的氧化层,可防止O_2和H_2O进一步对内部CdS分子的侵袭.     

基于光驱动水氧化的有机底物氧化

模拟光合作用分解水制氢是将太阳能转换为化学能的有效途径,基于光驱动水氧化的有机底物氧化是模拟光合作用体系II释氧中心(OEC)的新思路.该反应过程是通过金属催化剂将水分子活化生成以水为氧源的高价金属-氧中间体,随后将氧原子转移给有机底物,在此过程中水中的氢源得以释放.从催化剂的角度总结了近年来光驱动水分子活化的研究进展,同时对基于光驱动水氧化的有机底物氧化与光致产氢结合进而建立新型光分解水制氢的体系提出展望.     

光合放氧复合物结构及其放氧机理的研究*

光合水氧化是地球上最重要的生化过程之一.光合放氧生物包括光系统Ⅰ(PSⅠ)和光系统Ⅱ(PSⅡ)两种类型反应中心,光系统Ⅱ反应中心能以水作为电子给体,利用光能氧化水产生质子和氧气.对于水如何被氧化这个难题前人已做了大量的工作,但到目前为止放氧复合物(OEC)的结构及水氧化的机理仍不清楚.本文结合当前研究结果,就光合放氧复合物的结构及光合放氧机理进行了综述,希望能有助于推进这方面的工作.     

Buffer anion effects on water oxidation catalysis: The case of Cu(III)complex

水氧化是光解水制氢气的瓶颈反应,认识和理解水氧化机制并研发廉价稳定的催化剂对解决这一问题尤为重要.自1982年Meyer课题组报道了第一例分子型双核钌水氧化催化剂(bluedimer)以来,过渡金属配合物被广泛应用于探索这一氧化过程的规律和机理,特别是近几年廉价金属配合物在水氧化领域的应用也备受关注.由于水氧化一般在苛刻的氧化条件下才可以实现,如何提高过渡金属配合物在催化条件下的稳定性一直是分子催化剂结构设计的一个难点.利用部分分子催化剂的不稳定性,将其作为前体制备非均相金属氧化物催化剂,广泛用于水氧化研究.然而,对于催化水氧化过程中造成分子催化剂不稳定的因素却鲜有探讨.因此,了解分子催化剂和异相活性物种之间原位转化的机理对于分子催化剂设计至关重要.本文考察了大环配体(TAML)的三价铜配合物(TAML-CuIII)的氧化还原性质及其电催化水氧化的反应性能.实验结果表明, TAML-CuIII的催化水氧化活性与缓冲溶液种类有关,在磷酸盐溶液与碳酸氢钠溶液中均无催化活性,而在硼酸溶液中表现出较高的催化活性.此外, TAML-CuIII具有与本课题组之前报道的TAML-CoIII截然不同的电化学行为.TAML-CuIII只能发生配体的单电子氧化生成TAML·+-CuIII,且该物种无法实现对水分子的活化.进一步实验结果表明,生成的TAML·+-CuIII在硼酸根的协助下可以发生进一步氧化和配体的水解,从而生成具有高活性的非均相物种.研究表明该活性物种为含硼的氧化铜物种(B/Cu Ox).通过本文研究可得出两个结论:(1)具有平面四方构型的三价铜配合物不是一种有效催化水氧化的分子型催化剂;(2)缓冲阴离子在分子催化剂的分解中起到了关键作用.因此,缓冲溶液的选择对催化剂的电化学行为以及稳定性有着重要的影响.     

具有μ-OH,μ-O_2双钴核结构的基于多吡啶配体的配合物催化水氧化反应的能力（英文）

化石燃料的大量使用已经带来了一系列的环境问题,开发和使用可再生的清洁能源十分有必要.氢能可以作为传统化石燃料的理想替代品,因为它不但清洁而且热值高.受光合作用启发的水裂解反应被认为是一种将太阳能转化为氢能的理想途径.水裂解包括两个半反应,即水的氧化(2H_2O→4H~++O_2+4e~–)和质子的还原(4H~++4e~–→2H_2).水氧化反应需要高的活化能,因此它也被认为是水裂解反应的瓶颈步骤.为了提高水氧化反应的效率,已经有很多关于水氧化催化剂的研究工作被开展.然而,迄今为止,寻找高效的水氧化催化剂仍然是巨大挑战.考虑到成本以及丰度的因素,基于第一过渡系金属的水氧化催化剂日益受人关注.相比于多相水氧化催化剂,均相的水氧化催化剂,特别是基于有机配合物的均相催化剂,在结构调变,机理研究方面更具有优势.均相的水氧化催化剂主要分两类:无机的多金属氧酸盐和基于有机配体的配合物.在所有的均相的水氧化催化剂中,含钴的配合物被广泛研究,因为在光驱动水氧化反应中它们通常能表现出来较好的活性.很多研究工作都集中于研究多核的含钴的均相催化剂,特别是具有Co_4O_4框架立方烷结构的配合物,因为它们具有类似于自然界光合作用光系统Ⅱ活性中心Mn4CaO_5簇的结构.例如,Co_4O_4(Ac)_4(py)_4簇以及相关衍生物曾被报道过用于水氧化反应,然而Nocera等人发现该化合物本身没有活性(J.Am.Chem.Soc.,2014,136,17681–17688),表观的活性来源于催化剂合成过程中引入的二价钴离子.2014年,一个具有双核钴核心结构的多吡啶配合物[(TPA)Co~Ⅲ(μ-OH)(μ-O_2)Co~Ⅲ(TPA)](ClO_4)_3被报道具有催化光驱动水氧化反应的能力.然而随后的研究工作(ACS Catal.,2016,6,5062-5068)表明其表观活性也是来自于自由钴离子杂质,纯的化合物是没有活性的.在检查一个均相分子水氧化催化剂的时候,应当进行充分的实验,特别是对于钴基的水氧化催化剂.因为在合成含钴配合物的过程中可能引入杂质钴离子,杂质钴离子在反应过程中会转化为CoO_x,它本身就是很常见的高效的水氧化催化剂.在定性一个真正的均相的钴基水氧化催化剂之前,这一可能性必须要被排除.在这里我们报道了另外一个同样以双三价钴离子为核心的,具有μ-OH,μ-O_2结构的基于多吡啶配体的均相配合物.我们通过一系列的实验验证了它催化光驱动水氧化反应的能力.实验证明,该化合物没有催化活性,表观活性依然是来自于合成过程中引入的杂质钴离子.这一结果与之前的报道相比,既是进一步的探索,也是一个很好的补充.结合前人的工作,我们发现并总结了一个规律:以双核三价钴为核心的,拥有μ-OH,μ-O_2核心结构的基于多吡啶配体的配合物不适合被选用于催化光驱动水氧化反应.这一发现能为高效水氧化催化剂的开发设计提供见解与指导.     

Electronic,mechanistic, and structural factors that influence the performance of molecular water oxidation catalysts anchored on electrode surfaces

To harness solar energy to generate fuels powerful anodes for the water oxidation reaction need to be developed. During the last decade, an extensive number of molecular water oxidation catalysts based on transition metals have been reported, and in some cases, these molecular catalysts have been anchored on conductive surfaces generating molecular anodes. In this review, we analyze the factors that influence the performance of these molecular anodes, which are largely related to their mechanism of O–O bond formation and the nature of the anchoring functionality.     

Heterogeneous Molecular Systems for Photocatalytic CO2 Reduction with Water Oxidation

Artificial photosynthesis—reduction of CO₂ into chemicals and fuels with water oxidation in the presence of sunlight as the energy source—mimics natural photosynthesis in green plants, and is considered to have a significant part to play in future energy supply and protection of our environment. The high quantum efficiency and easy manipulation of heterogeneous molecular photosystems based on metal complexes enables them to act as promising platforms to achieve efficient conversion of solar energy. This Review describes recent developments in the heterogenization of such photocatalysts. The latest state‐of‐the‐art approaches to overcome the drawbacks of low durability and inconvenient practical application in homogeneous molecular systems are presented. The coupling of photocatalytic CO₂ reduction with water oxidation through molecular devices to mimic natural photosynthesis is also discussed.     

Design of Mononuclear Ruthenium Catalysts for Low‐Overpotential Water Oxidation

Water oxidation is a key reaction in natural photosynthesis and in many schemes for artificial photosynthesis. Inspired by energy challenges and the emerging understanding of photosystem II, the development of artificial molecular catalysts for water oxidation has become a highly active area of research in recent years. In this Focus Review, we describe recent achievements in the development of single‐site ruthenium catalysts for water oxidation with a particular focus on the overpotential of water oxidation. First, we introduce the general scheme to access the high‐valent ruthenium–oxo species, the key species of the water‐oxidation reaction. Next, the mechanisms of the O? O bond formation from the active ruthenium–oxo species are described. We then discuss strategies to decrease the onset potentials of the water‐oxidation reaction. We hope this Focus Review will contribute to the further development of efficient catalysts toward sustainable energy‐conversion systems.     

Water‐Splitting Catalysis and Solar Fuel Devices: Artificial Leaves on the Move

The development of new energy materials that can be utilized to make renewable and clean fuels from abundant and easily accessible resources is among the most challenging and demanding tasks in science today. Solar‐powered catalytic water‐splitting processes can be exploited as a source of electrons and protons to make clean renewable fuels, such as hydrogen, and in the sequestration of CO₂ and its conversion into low‐carbon energy carriers. Recently, there have been tremendous efforts to build up a stand‐alone solar‐to‐fuel conversion device, the “artificial leaf”, using light and water as raw materials. An overview of the recent progress in electrochemical and photo‐electrocatalytic water splitting devices is presented, using both molecular water oxidation complexes (WOCs) and nano‐structured assemblies to develop an artificial photosynthetic system.     

钙钛矿型水氧化电催化剂

在全球能源结构“清洁化”转型的背景下,可再生能源的开发与利用能够有效解决能源危机与环境问题,符合我国的可持续发展路线。能源转换与储存技术贯穿着循环能源技术的各个环节,是新型能源框架的核心支撑。 水氧化反应是众多能源体系（例如, 水裂解反应、 二氧化碳还原反应、 氮还原反应和金属-空气电池）的重要半反应, 但其动力学缓慢, 严重限制了设备的能源效率, 阻碍了相应技术的广泛应用。因此, 亟需开发具有低成本、 高活性、 强稳定性的水氧化电催化剂以降低反应能垒,进而推动能源转换与存储设备的工业化发展。钙钛矿型材料的晶体结构包容性强, 元素组成涵盖广泛, 具有丰富而独特的电子特性, 易于实现表面化学与电子结构的精准调控, 因此被公认为理想的催化材料设计平台。本文综述了钙钛矿型水氧化电催化剂的最新研究进展。首先介绍了钙钛矿型材料的晶体结构和电子特性,归纳了制备钙钛矿型氧化物的代表性的合成策略。通过讨论近期钙钛矿型水氧化电催化剂在酸性和碱性介质中的研究进展, 强调了钙钛矿型电催化剂结构与催化性能间的构效关系。 最后, 我们总结了钙钛矿型水氧化电催化剂在实际应用中面临的挑战与机遇, 提出了相应的建议与解决方案, 期望能使读者更清晰地认识到该领域的未来发展方向。     

Promoting Proton Transfer and Stabilizing Intermediates in Catalytic Water Oxidation via Hydrophobic Outer Sphere Interactions

The outer coordination sphere of metalloenzyme often plays an important role in its high catalytic activity, however, this principle is rarely considered in the design of man-made molecular catalysts. Herein, four Ru-bda (bda=2,2′-bipyridine-6,6′-dicarboxylate) based molecular water oxidation catalysts with well-defined outer spheres are designed and synthesized. Experimental and theoretical studies showed that the hydrophobic environment around the Ru center could lead to thermodynamic stabilization of the high-valent intermediates and kinetic acceleration of the proton transfer process during catalytic water oxidation. By this outer sphere stabilization, a 6-fold rate increase for water oxidation catalysis has been achieved.     

Facile deposition of cobalt oxide based electrocatalyst on low-cost and tin-free electrode for water splitting

Facile deposition of a water-splitting catalyst on low-cost electrode materials could be attractive for hydrogen production from water and solar energy conversion. Herein we describe fast electrodeposition of cobalt-based water oxidation catalyst(Co-WOC) on simple graphite electrode for water splitting. The deposition process is quite fast, which reaches a plateau in less than 75 min and the final current density is～1.8 mA/cm2under the applied potential of 1.31 V at pH = 7.0. The scanning electron microscopy(SEM) study shows the formation of nanometer-sized particles(10-100 nm) on the surface of the electrode after only 2 min and micrometer-sized particles(2-5 μm) after 90 min of electrolysis. X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) data demonstrate the as-synthesized ex-situ catalyst mainly contains Co2+and Co3+species incorporating a substantial amount of phosphate anions. These experiments suggest that cost-efficient cobalt oxide materials on graphite exhibit alluring ability for water splitting, which might provide a novel method to fabricate low-cost devices for electrochemical energy storage.     

Artificial photosynthesis: from molecular catalysts for light-driven water splitting to photoelectrochemical cells

Photosynthesis has been for many years a fascinating source of inspiration for the development of model systems able to achieve efficient light-to-chemical energetic transduction. This field of research, called "artificial photosynthesis," is currently the subject of intense interest, driven by the aim of converting solar energy into the carbon-free fuel hydrogen through the light-driven water splitting. In this review, we highlight the recent achievements on light-driven water oxidation and hydrogen production by molecular catalysts and we shed light on the perspectives in terms of implementation into water splitting technological devices.     

光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展

生物质醇/醛是一类重要的生物基平台化合物, 通过催化氧化重整可将其进一步转化为高值含氧化学品或燃料. 太阳能驱动的光电催化技术是实现生物质醇/醛氧化最为绿色高效的途径之一. 与传统光电解水制氢相比, 利用生物质醇/醛氧化来替代阳极析氧过程不仅可以提高阳极产物的附加值, 同时可以提升太阳能到氢能的转化效率. 因此, 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化对绿氢提效降本和高值化学品合成具有重要意义. 本文综合评述了光电解水制氢耦合生物质醇/醛的氧化反应机理, 总结了目前光电催化技术在生物质醇/醛氧化方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.     

Computational Mechanistic Insights on Homogeneous Water Oxidation Versus Catalyst Deactivation: A Case Study with Mononuclear Nickel and Copper Complexes

Water splitting is a potential pathway for hydrogen gas evolution and thereby realization of a carbon-neutral sustainable energy scheme. However, oxidation of water to dioxygen is the major impediment in conversion of solar energy to fuel. Herein, density functional studies are conducted to explore the reactivity conduits of two molecular electro-catalysts consisting of nickel and copper tetra-anionic tetradentate amide ligand complexes of the type [(L1)M^II]²⁻, where L1=o-phenylenebis(oxamidate), and their substitutionally modified analogues. While nickel complexes demonstrate complex borderline chemistry between homogeneous and heterogeneous pathways, showing competition between water oxidation and molecular species degradation, copper complexes display robust and efficient molecular water oxidation behavior. Our analysis predict that this disparity is primarily due to the reversible O−O bond formation in nickel complexes, which provide the platform necessary for a direct attack of OH⁻/H⁺ on the metal and terminally accessible amidate groups of the 2e⁻ oxidized anionic intermediate, [(L1⋅)Ni^III(OH)]¹⁻, respectively. This intermediate streamline ligand deactivation with a comparatively higher driving force for nickel complexes in acidic medium. Contrarily, the copper complexes display radical character on the hydroxyl ligand in the corresponding intermediate, [(L1⋅)Cu^II(OH⋅)]¹⁻, that expedite O−O interaction, leading to predominant homogeneous water oxidation under all conditions.