碱金属阳离子对铁卟啉电催化CO2还原的影响

电催化CO2还原反应(CO2RR)可以有效地将温室气体转化为燃料或高附加值的化学品,从而缓解目前人类所面临的环境问题和能源危机,其中开发高效的电催化剂是至关重要的环节.近年来,研究者设计了多种高效的过渡金属配合物(包括Mn,Fe,Co,Ni和Cu)用作CO2RR分子电催化剂,并研究了其中的构效关系,例如,在分子内修饰质子给体取代基或电荷取代基可以显著提高CO2RR的催化效率.而电催化CO2RR的实际应用要在含有碱金属阳离子(例如,Na+和K+)的电解质水溶液中进行,但在已有报道中,很少有关于碱金属阳离子对CO2RR的影响.在众多的分子催化剂中,铁卟啉可以以较高的催化活性和选择性实现CO2到CO的转化.重要的是,卟啉环的刚性结构、稳定的配位环境及其骨架上官能团的易于修饰性成为研究CO2RR的构效关系的理想分子模型.基于以上考虑,本文以铁卟啉配合物为分子模型,研究了碱金属阳离子Na+和K+对电催化CO2RR的影响.首先,本文合成了简单的A4型铁卟啉化合物四-(3,4,5-三甲氧基苯基)-铁卟啉(FeP).并采用核磁共振、质谱分析、单晶衍射等表征手段对化合物进行了表征,在含有电解质的DMF溶液中测试其电催化CO2还原性能.实验结果表明,FeP可以实现高效的电催化CO2还原,催化电流随FeP的浓度呈线性增加,说明催化反应速率与催化剂浓度呈一级反应速率关系.较长时间的恒电压电解实验以及电解前后化合物的紫外-可见光谱证实了FeP的稳定性.通过气相色谱对产物进行分析,CO为主要产物,法拉第效率为95％.以上结果均表明,FeP是一个优良的分子催化剂.在此基础上,本文还发现加入Na+和K+均可以显著提升催化活性,而K+的加入使催化电流的提升更加显著,这可能是由于K+在溶液中的迁移速度比Na+更快.基于此实验现象,本文通过在FeP的第二配位层修饰1-氨-18-冠-6-醚官能团(N18C6),合成了N18C6-FeP化合物.结果表明,由于N18C6与Na+/K+之间的配位作用,使得N18C6-FeP比FeP具有更好的电催化CO2RR活性.研究表明,催化活性的提升归因于碱金属阳离子能够通过静电相互作用稳定Fe-CO2中间体.1H NMR谱证实了N18C6基团的确能够螯合碱金属阳离子.本文研究证明了碱金属阳离子对改善电催化CO2RR的积极作用,对于进一步深入了解CO2RR催化反应机理和未来合理的设计高效催化剂也都具有重要意义.     

第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂的最新进展

水的氧化是光合作用的重要步骤,其提供用于二氧化碳固定的电子和质子,以及生物圈所必需的氧气.在将太阳能转换为化学能的人工光合作用中,设计合成高效稳定的水氧化催化剂是研究的关键.目前的催化体系主要是基于钌和铱等贵金属的金属氧化物纳米颗粒和多核金属配合物.基于钌和铱的单核催化体系近年来也得到了广泛的发展.最近几年,第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂快速得到重视.作为配合物中心原子,它们不仅具有丰富的氧化态,而且因相对充足的蕴藏和较低的开采冶炼成本,其具有钌和铱等贵金属不可比拟的重大优势和广阔的应用前景.本文总结了近几年第一过渡系列金属元素单核水氧化催化剂的进展,并在此基础上,简单讨论了氧—氧键的生成,为进一步设计新颖、具有高催化效率和高稳定性的单核水氧化催化剂提供了理论依据.     

一种由1,4,7-三氮杂环壬烷形成的三脚架配体及其与高氯酸钠组装的含[Na4(ClO4)4]四面体晶体结构

合成了一种多齿的三脚架配体：三（2-（4,7-二甲磺酸基-1,4,7-三氮杂环壬烷基）甲基苄基）胺,即N（CH₂-o-C₆H₄-CH₂-tacnTs₂）₃（L）,其中Ts=tosyl。它包含3个1,4,7-三氮杂环壬烷连接在三苄基胺的邻位。该配体在高氯酸钠存在情况下结晶,自组装得到4个钠离子形成的四面体结构晶体：[Na₄（L）（CH₃CN）（ClO₄）₄（H₂O）₃]_n。该晶体结构用X射线单晶衍射、粉末衍射、红外光谱和热重分析表征,并用紫外吸收和荧光对其光学性质进行表征。     

一种由1,4,7-三氮杂环壬烷形成的三脚架配体及其与高氯酸钠组装的含[Na4(ClO4)4]四面体晶体结构

合成了一种多齿的三脚架配体：三（2-（4,7-二甲磺酸基-1,4,7-三氮杂环壬烷基）甲基苄基）胺,即N（CH₂-o-C₆H₄-CH₂-tacnTs₂）₃（L）,其中Ts=tosyl。它包含3个1,4,7-三氮杂环壬烷连接在三苄基胺的邻位。该配体在高氯酸钠存在情况下结晶,自组装得到4个钠离子形成的四面体结构晶体：[Na₄（L）（CH₃CN）（ClO₄）₄（H₂O）₃]_n。该晶体结构用X射线单晶衍射、粉末衍射、红外光谱和热重分析表征,并用紫外吸收和荧光对其光学性质进行表征。