电化学固定CO2构建羧酸衍生物的研究进展(英文)

CO₂由于其含量丰富、无毒和低成本等特性可作为有机合成中的重要C1源,因此,使用CO₂作为C1源合成高附加值的化合物具有重要的意义.本综述重点介绍了在电化学条件下使用CO₂作为亲电试剂参与有机化合物羧化反应的最新进展.主要介绍了非活化有机卤化物、不饱和烯烃化合物和一些特殊化合物的电化学羧化,并就使用和不使用牺牲阳极进行了详细分类,讨论了这些反应的反应机制,为今后此类反应在有机合成中的应用提供参考.     

BMIMBF4中2-氨基-3-氯-1,4-萘醌电化学捕获CO2的机理

利用循环伏安法（CV）和现场红外光谱电化学技术研究了2-氨基-3-氯-1,4-萘醌（ACNQ）在1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）中电化学捕获CO₂的机理.研究结果表明,当体系中不存在CO₂时,ACNQ在BMIMBF₄中经历可逆的两步一电子过程;当体系中引入CO₂时,电化学还原过程中形成的二价阴离子（ACNQ^2-）作为亲核试剂,可攻击CO₂的亲电子碳中心,形成稳定的CO₂加合物.对电化学捕获CO₂的化学计量进行了评估,结果表明,1摩尔的ACNQ^2-可捕获1摩尔的CO₂.结合B3LYP方法在6-311++G^**水平上计算分析了反应中CO₂加合物可能的结构.     

电羧化苯乙烯基苯基酮合成2,4-二苯基-4-丁酮酸

研究了常压下以CO2和苯乙烯基苯基酮为原料的电羧化反应. 在一室型电解池中, 用Mg作为辅助电极, 不锈钢、铜、镍、钛、石墨电极等作为工作电极, Ag/AgI为参比电极, 恒电位电解苯乙烯基苯基酮和CO2可得到产物2,4-二苯基-4-丁酮酸. 为提高电解产率, 优化了电解条件, 对影响该反应的溶剂、支持盐、阴极材料、电解电位、底物浓度和温度等因素作了进一步讨论. 实验结果表明, 不同的电解条件下, 苯乙烯基苯基酮的还原性能存在较大差异. 通过变化规律的研究, 找到了各个影响因素的最佳条件为: 反应温度为0 ℃, MeCN作为溶剂, 0.1 mol•L－1 四乙基四氟硼酸铵为支持盐, 不锈钢电极为工作电极, Mg棒为辅助电极, 电解电位是－1.75 V. 在此条件下恒电位电解, 2,4-二苯基-4-丁酮酸的产率可达88%. 在乙腈中还研究了苯乙烯基苯基酮的电化学行为, 推测其电羧化反应经历一个电子传递反应-化学反应-电子传递反应-化学反应(ECEC)过程.     

SnO2/GDE阴极的制备及电催化还原CO2产甲酸性能

采用低温水热合成法制备了碳纸基底的SnO₂气体扩散电极(SnO₂/GDE), 并对其物化特性与催化还原CO₂产甲酸性能进行了研究. 扫描电子显微镜、 X射线衍射及X射线光电子能谱表征结果表明, 在60, 75, 100 ℃下制备的催化剂均为分散性良好的纳米SnO₂粉体, 其粒径分别为7.9, 11.8和12.9 nm. 循环伏安、 线性扫描伏安和电化学交流阻抗测试结果显示电极均具有优异的电催化活性, 其电化学活性表面积分别为150, 470, 240 cm ², 通过等效电路拟合后电阻分别为8.5, 3.9, 6.6 Ω·cm ². 在-1.8 V(vs. SCE)电位下电解, 通入电量500 C时, 电极都具有较高电催化还原CO₂产甲酸性能, 而75 ℃下制备的电极性能最佳, 产甲酸电流密度为22.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率高达93.5%; 该电极经过20 h长时间电解后, 产甲酸电流密度可维持在12.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率稳定在约65%.     

2-(2-羟基-3-甲氧基苯基)-C60的合成及在花椰菜花叶病毒启动子DNA传感检测中的应用

通过1,3-偶极[3＋2]环加成反应, 合成了2-(2-羟基-3-甲氧基苯基)-C₆₀吡咯烷衍生物(HMP-C₆₀); 采用红外光谱、 紫外吸收光谱、 元素分析和液相色谱-质谱联用技术对产物的化学结构进行了表征. 基于该衍生物具有功能性的含氮和含氧基团, 通过滴涂法将其修饰在玻碳电极表面上, 并以Zr⁴⁺为桥联试剂将探针DNA通过 5′-PO₄^{3 -}组装到HMP-C₆₀修饰电极表面, 构建了基于HMP-C₆₀修饰电极的电化学DNA传感器. 以[Fe(CN)₆]^3-/4-为电活性探针, 对不同修饰电极进行了电化学表征, 并采用电化学交流阻抗法考察了该传感器对花椰菜花叶病毒(CaMV35S)启动子特征片段的分析性能. 实验结果表明, 在1.0×10^-13 ~ 1.0×10^-9 mol/L浓度范围内, 该电化学传感器电子转移阻抗变化值(ΔR_et)与目标序列浓度对数(lgc_S2)呈现良好的线性关系, 检出限为4.0×10^-14 mol/L (S/N=3). 该传感器能有效识别完全互补序列、 碱基错配序列和非互补序列, 表现出良好的选择性.     

膜电极构型CO2还原电解单池的稳定性研究

电化学还原CO₂可实现CO₂的资源化转化,是缓解因其过度排放所导致诸多环境问题的关键技术. 本文提出了一种膜电极（membrane electrode assembly,MEA）构型CO₂还原电解单池的结构设计,可同步实现气体扩散阴极两侧CO₂的供给与电解质液层的更新. 基于该MEA构型电解池,实验考察了电解质液层中KHCO₃浓度和更新与否对氮掺杂石墨烯锚定的Ni电极表面CO₂电还原制备CO的反应活性、产物分布与稳定性的影响. 结果表明,若电流密度低于5 mA·cm^-2,KHCO₃浓度显著影响电解电势而非产物分布. CO₂还原电解单池在稳定运行中存在着“可逆”与“不可逆”两种衰减模式. 其中,阴极/电解质界面处催化剂的流失是 “不可逆”衰减形成的原因;而电解质液层中KHCO₃溶液的流失导致了MEA构型CO₂还原单池的“可逆”衰减,周期性更新KHCO₃电解质是降低其“可逆”衰减的有效方法.     

CO2电催化转化迈向大规模化的挑战与展望(英文)

全球CO₂排放量持续增长,冲击全球能源格局.CO₂电催化转化为高值化学品与液体燃料是实现绿色化工和降低碳排放的有效途径.针对催化剂和电解器的实验室研究为CO₂大规模电解奠定了基础.然而具有实用价值的全电解池CO₂电解,在工业级电流密度下的CO₂转化率、反应活性与稳定性仍较低.电极面积和数量的放大研究发现,由于电场、流场等的复杂多场耦合引起的放大效应,使得反应寿命、能耗等反应性能下降.本文综述了面向CO₂规模化电解的关键多尺度研究内容,聚焦实现CO₂高效转化的重要挑战和前沿研究进展,并展望了助力实现CO₂商业化应用的发展方向.基于聚合物电解质膜并以水作为质子源的低温CO₂电解路线是具有工业化应用前景的反应路线之一,能用于制备CO、甲酸、乙烯、乙醇等C1-C3化合物,是当前研究重点.膜电极(MEA)电解器容易在电极面积和数量上扩展,是有望实现大规模部署的CO₂电解装置.目前...     

磷化镍@镍-氮-碳双功能催化剂电还原CO2-H2O制合成气

电催化还原CO₂由于具有温和的反应条件、反应产物组成可调、环境友好等优点,是CO₂转化技术中最有前景的方法之一,然而目前发展的电催化CO₂还原技术仍未达到工业化盈利所需的技术经济指标。因此,通过简单的两电子转移,将CO₂-H₂O电还原为合成气通常被认为是电化学还原CO₂过程中较有前景的实现盈利的途径之一,因此研究能够精确调控合成气比例的非贵金属电催化剂至关重要。在本文中,我们提出了通过三元纳米复合材料的分子工程学设计的进行了高活性、可实现特定比例合成气制备的双功能电催化剂的合成策略。将三聚氰胺、三苯基膦(TPP)和乙酸镍研磨并溶解在乙醇中,通过旋蒸得到三元纳米复合材料,在850 ℃下热解2 h得到催化剂。该方法简单、易操作并且易于放大。该系列双功能电催化剂的比表面积和孔体积均随着三苯基膦量的增加而增加,且分级孔结构有利于提供活性位以及促进物质传输。此外,拉曼图谱表明材料的缺陷度由于前驱体中三苯基膦的增加而增加。另外,X射线光电子能谱验证了析氢反应活性位点Ni-P和CO₂电催化活性为位点Ni-N的存在。因此,该系列电催化剂的性能具有较大的调控空间,可从CO产物主导调控至H₂产物主导。电化学性能通过在CO₂饱和0.5 mol·L^-1 KHCO₃溶液中进行线性扫描伏安法以及恒电位电解进行评价。结果表明催化剂的活性受材料表面P/Ni-N_x比例的影响。最高的CO法拉第效率为91%,由不含磷化镍的纯Ni-N-C材料在-0.8 V (相对于可逆氢电极(RHE))电位下实现。在-0.7至-1.1 V (vs RHE)电位区间内,合成气流中CO/H₂的摩尔比可从2 : 5调整至10 : 1,并能与磷化镍和镍-氮-炭组分的摩尔比关联。此外,我们还对优化的催化剂在-0.7 V电位下的稳定性进行了测试,合成气摩尔比例在8 h内保持在1.2-1.3,说明材料具有良好的稳定性。本工作将温室气体CO₂和H₂O转化成比例可调的合成气,为双功能电催化剂的工程设计提供了新的方向。     

反应条件对铜催化CO2电还原的影响

工业规模的化石能源消耗导致大气中二氧化碳含量不断增加,CO₂转化利用成为人们日益关注的热点问题. 金属铜因其成本低廉、储量丰富,并且具有独特的CO₂亲和力能够生成多碳化合物,是目前CO₂电还原中研究最为广泛深入的电极材料. 由于阴、阳离子的特征吸附对Cu电极性能有显著影响,并且不同反应体系中对Cu电极上CO₂吸附、活化影响也有所不同,因此导致金属Cu电极上报道的电催化活性、产物种类与选择性等都非常宽泛. 基于此,有必要系统地研究各种反应条件对金属Cu电极电催化CO₂还原性能的影响. 作者选择了平均粒径为600 nm的商品化金属Cu颗粒作为电还原CO₂的催化剂,研究了不同反应条件包括各种常用电解质溶液、KHCO₃的浓度以及H型电解池和流动池. 实验结果表明,浓度为0.5 mol·L ^-1的KHCO₃作为电解质溶液具有较好催化活性和较高的产物分电流密度,流动池可以进一步提高主要产物甲酸盐和CO的分电流密度. 本研究工作从反应条件的角度对CO₂还原的电催化转化进行了系统研究,有助于理解电解液和反应器等因素对CO₂电还原反应过程的影响规律.     

CO2高效资源化利用的高温熔盐电化学技术研究

高温熔融盐具有CO₂吸收容量大、电化学窗口宽、高温下反应动力学快等特点,是利用清洁电能大规模捕集和资源化利用CO₂颇具实用化潜力的电解液体系. 本文主要介绍作者课题组近十年关于高温熔盐CO₂捕集与电化学资源化转化(MSCC-ET)技术的相关研究工作,包括熔融盐电解质对CO₂的吸收、阴极过程动力学、电解条件对产物的影响、析氧阳极、电解过程能量效率和CO₂捕获潜力,并展望了MSCC-ET技术的发展前景.     

Efficient Electrocarboxylation of p-Methylpropiophenone in the Presence of Carbon Dioxide

In the one compartment electrochemical cell 2‐hydroxy‐2‐p‐tolyl‐butyric acid methyl ester was electrosynthesized by electrochemical carboxylation of p‐methylpropiophenone in the presence of carbon dioxide. Under galvanostatic conditions, the electrocarboxylation was influenced by supporting electrolytes, cathode materials, the current density, passed charge and temperatures. Application scope of the eletrocarboxylation system was then examined, and an excellent yield of 97% was obtained when the electrolysis was carried out in DMF‐0.1 mol·L^?1 TEABr solution using cheap and environmentally benign nickel as the cathode under a controlled current density of 5.0 mA·cm^?2 until 2.8 F·mol^?1 charge passed through the cell at ?10°C. The electrochemical behavior of p‐methoxylacetophenone has been studied on the glassy carbon electrode by cyclic voltammetry and the probable mechanism was proposed accordingly.     

Electrocarboxylation of Carbon Dioxide with Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Using Ni as the Cathode

Using Ni cathode and Al sacrificial anode, the electrocarboxylation of polycyclic aromatic hydrocarbons (naphthalene, 5‐methylnaphthalene, anthracene, phenanthrene and 1H‐indene) with carbon dioxide (4 MPa) could be successfully performed in an undivided cell containing n‐Bu₄NBr‐DMF supporting electrolyte with a constant current at room temperature, affording the corresponding trans‐dicarboxylic acids in good to excellent yields (62% –90%). Among the examined cathode materials (Ni, Pt, Ag, Cu and Zn), Ni and Pt cathodes exhibited a good catalytic activity for the electrocarboxylations. In addition, the experimental results indicated that electrolytic conditions (conducting salts, electricity, CO₂ pressure and temperature) could also affect the result of the electrocarboxylation. According to the results of the electrocarboxylations and CV (cyclic voltammetry), a possible electrochemical reaction mechanism was also proposed.     

Electroorganic synthesis of 6-aminonicotinic acid from 2-amino-5-chloropyridine

A synthesis of 6-aminonicotinic acid by electrochemical hydrogenation of 5-chloro-2-nitropyridine and electrochemical carboxylation of 2-amino-5-chloropyridine at a cathode surface in the presence of sulphuric acid and carbon dioxide in a dimethylformamide (DMF) solution at an apparent current density of 10 mA/cm² using an undivided cell with good yields is reported.     

Carbon Dioxide Fixation Method for Electrosynthesis of Benzoic Acid from Chlorobenzene

Carbon dioxide fixation technique was developed as an alternative dechlorination method of chlorobenzenes.Electrolysis of chlorobenzene was carried out in a one-compartment cell fitted with an alu- minium anode and a platinum cathode.Electrolysis in N,N-dimethylformamide(DMF)solution contain- ing 0.1 M of tetrapropylammonium bromide(TPAB)at 0℃,100 ml/min of CO_2 flow rate and 120 mA/cm~2 of current density was found to be the optimum conditions of this electrocarboxylation,which gave 72% yield of benzoic acid from chlorobenzene.These conditions were then applied to 1,2-dichlorobenzene and 1,3-dichlorobenzene in order to convert them to their corresponding benzoic acids.     

Polymer-Supported Liquid Layer Electrolyzer Enabled Electrochemical CO2 Reduction to CO with High Energy Efficiency

The electrochemical conversion of carbon dioxide (CO₂) to carbon monoxide (CO) is a favorable approach to reduce CO₂ emission while converting excess sustainable energy to important chemical feedstocks. At high current density (>100 mA cm⁻²), low energy efficiency (EE) and unaffordable cell cost limit the industrial application of conventional CO₂ electrolyzers. Thus, a crucial and urgent task is to design a new type of CO₂ electrolyzer that can work efficiently at high current density. Here we report a polymer-supported liquid layer (PSL) electrolyzer using polypropylene non-woven fabric as a separator between anode and cathode. Ag based cathode was fed with humid CO₂ and potassium hydroxide was fed to earth-abundant NiFe-based anode. In this configuration, the PSL provided high-pH condition for the cathode reaction and reduced the cell resistance, achieving a high full cell EE over 66 % at 100 mA cm⁻².     

丙三醇碳酸酯的电合成研究

在常温常压下,采用电化学方法,以丙三醇和CO₂为原料合成了丙三醇碳酸酯,并详细考察了各种条件对该反应的影响规律. 择优条件下,目标碳酸酯的产率可达73%,远远高于普通的催化方法. 并借助循环伏安曲线研究了反应体系的电化学行为,分析了整个反应的可能历程.     

Electrocatalytic carboxylation of aliphatic halides at silver cathode in acetonitrile

A simple and efficient electrocarboxylation reaction of aliphatic halides has been developed using silver as cathode, magnesium as anode and CH₃CN saturated CO₂ as solvent in an undivided cell. The influence of some key factors (such as the nature of electrode materials, supporting electrolytes and temperature) on this reaction was investigated. Under the optimized condition, the corresponding carboxylic acids were obtained in moderate to good yields (22-89%). The electrochemical behaviour was studied at different electrodes (Ag, Cu, Ni and Ti) by cyclic voltammetry, which showed significant electrocatalytic effect of the silver electrode towards the reductive carboxylation of aliphatic halides.     

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。     

Electrochemical Activation of CO2 for the Synthesis of Ethyl Carbanilate under Mild Conditions

A novel electrochemical procedure for the synthesis of ethyl carbanilate from aniline and carbon dioxide was developed via the selective cathodic reduction of carbon dioxide in CO2-saturated DMF solution containing 0.1 mol/L TEABr at room temperature,followed by the addition of EtI as an alkylating agent.The synthesis was carried out under mild[p(CO2)=1.0×105 Pa,t=20 ℃] and safe conditions.Influences of the nature of the electrodes,the current densities,the passed charges during electrolysis,temperatures,and supporting electrolytes on the yield of ethyl carbanilate were studied to optimize the electrolytic conditions.The selectivity of ethyl carbanilate is 100%.