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.     

钌氢配合物的合成及其在催化有机合成中的应用

配位催化己成实现绿色化学中的重要手段之一[1,2].过渡金属配合物是重要的配位催化剂,但中心金属多为贵金属,其中钌的儲量较大,也较便宜.不过,钌配合物的催化性能也较差.在国内外学者的努力下,近年在钌配合物的合成和催化方面都得到很大发展[3],如钌卡宾[C l2Ru(=CHPh)(PCy3)2]催化的交互置换反应获2005年Nobel化学奖[4].过渡金属氢配合物是一类重要的配合物,被称为“催化反应的关键”[5].如铱氢配合物首开了活化饱和碳氢键的先河,铼氢配合物实现了饱和碳氢键催化循环[6];钌氢配合物在催化加氢等反应中也表现不俗[7].我们试图对钌氢配合…     

基于Ru-bda双核钌催化剂的可见光驱动水氧化

开发高效水氧化催化剂对于太阳能分解水制氢和 CO2还原都具有重要意义. 我们之前的研究表明, 基于 Ru-bda(bda= 2,2'-联吡啶-6,6'-二羧酸) 单体的双核钌催化剂在以 (NH4)2Ce(NO3)6为氧化剂的化学法水氧化反应中表现出良好的催化性能, 比相同条件下单核钌催化剂的活性高出一个数量级. 然而, 该类双核钌催化剂的光催化水氧化性能尚未被系统研究.因此我们考察了以丙烷桥双核钌配合物为催化剂、[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂、Na2S2O8为电子牺牲体组成的三组分体系的光催化性能, 并和相应的单核钌催化剂进行了对比, 同时考察了溶液中乙腈的含量对单、双核钌分子催化剂光催化产氧性能和产氧机理的影响.实验结果表明, 无论是单核还是双核钌催化剂, 其催化活性与乙腈在磷酸缓冲溶液中的比例密切相关. 乙腈的含量不仅影响了水氧化的驱动力, 而且影响 O-O 的形成机理, 改变反应的动力学和反应速率. 单、双核钌催化剂的活性都随着乙腈比例的增加而增加, 然而双核钌催化剂在低乙腈含量的缓冲溶液中展现优于单核钌催化剂的光催化性能; 而在高乙腈含量的缓冲溶液中, 双核钌催化剂和单核钌催化剂的光催化性能趋于相当. 在最优化条件 (60% 乙腈) 下, 双核钌的光催化产氧 TON 值达到 638, 在 450 nm 的光量子效率达到 77%. 我们还发现, 当乙腈浓度较低时, 单核钌催化剂 Ru-bda 催化的水氧化反应为二级动力学; 当乙腈浓度较高时, 该催化剂在反应中表现为一级动力学. 从而推测 O-O 键的形成机制由双分子自由基耦合转变成单分子亲核进攻, 也解释了为什么高乙腈含量下单核和双核钌催化剂的活性差别不大. 本研究所展示的 Ru-bda 的溶剂效应可能同样适用于电化学和光电化学水氧化, 对深入理解和设计高效太阳能分解水器件具有重要意义.     

基于Ru-bda双核钌催化剂的可见光驱动水氧化（英文）

开发高效水氧化催化剂对于太阳能分解水制氢和CO_2还原都具有重要意义.我们之前的研究表明,基于Ru-bda(bda=2,2'-联吡啶-6,6'-二羧酸)单体的双核钌催化剂在以(NH4)2Ce(NO3)6为氧化剂的化学法水氧化反应中表现出良好的催化性能,比相同条件下单核钌催化剂的活性高出一个数量级.然而,该类双核钌催化剂的光催化水氧化性能尚未被系统研究.因此我们考察了以丙烷桥双核钌配合物为催化剂、[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂、Na2S2O8为电子牺牲体组成的三组分体系的光催化性能,并和相应的单核钌催化剂进行了对比,同时考察了溶液中乙腈的含量对单、双核钌分子催化剂光催化产氧性能和产氧机理的影响.实验结果表明,无论是单核还是双核钌催化剂,其催化活性与乙腈在磷酸缓冲溶液中的比例密切相关.乙腈的含量不仅影响了水氧化的驱动力,而且影响O-O的形成机理,改变反应的动力学和反应速率.单、双核钌催化剂的活性都随着乙腈比例的增加而增加,然而双核钌催化剂在低乙腈含量的缓冲溶液中展现优于单核钌催化剂的光催化性能;而在高乙腈含量的缓冲溶液中,双核钌催化剂和单核钌催化剂的光催化性能趋于相当.在最优化条件(60%乙腈)下,双核钌的光催化产氧TON值达到638,在450 nm的光量子效率达到77%.我们还发现,当乙腈浓度较低时,单核钌催化剂Ru-bda催化的水氧化反应为二级动力学;当乙腈浓度较高时,该催化剂在反应中表现为一级动力学.从而推测O-O键的形成机制由双分子自由基耦合转变成单分子亲核进攻,也解释了为什么高乙腈含量下单核和双核钌催化剂的活性差别不大.本研究所展示的Ru-bda的溶剂效应可能同样适用于电化学和光电化学水氧化,对深入理解和设计高效太阳能分解水器件具有重要意义.     

醇-胺直接脱氢及氧化脱氢偶联酰胺化反应

醇-胺(氨)直接脱氢及氧化脱氢偶联生成酰胺具有原子经济性高和对环境友好等优点,因而受到广泛关注。研究发现,一些过渡金属钌及铑配合物、负载金及银纳米粒子、氧化锰分子筛(OMS-2)以及基于铜、铁化合物的催化体系在醇-胺(氨)直接脱氢或氧化脱氢偶联生成酰胺反应中显示出优良的催化性能。本文首先介绍了PNN-钌、NHC-钌配合物、铑配合物以及负载银原子簇催化的醇-胺(氨)直接脱氢偶联生成酰胺反应的研究进展,然后对负载纳米金粒子、氧化锰分子筛(OMS-2)以及基于铜、铁化合物的催化体系催化的不同氧化剂,包括分子氧、叔丁基过氧化氢以及分子碘氧化的氧化酰胺化反应进行了总结。对各催化剂或催化体系的适用范围和优缺点进行了分析,阐述了主要催化剂或催化体系的催化机理。此外,还对无过渡金属参与的醇-胺氧化酰胺化反应体系进行概述。最后,在总结现有成果的基础上指出了该领域的发展方向。     

分子催化剂催化水氧化过程及其O–O成键机理

随着化石燃料的不断消耗和生存环境的日益恶化,可再生、清洁且环境友好的新能源逐渐受到广泛关注与利用.太阳能作为一种洁净的可再生能源,在自然界中,植物可以通过光合作用将太阳能转换成化学能.在该过程中,水分子在光系统II中被氧化而释放出氧气,伴随生成的质子和电子进一步将二氧化碳转化为蕴含生物质能的碳水化合物.在光系统II中,叶绿素P680被光照激发生成阳离子自由基P680^·+,其具有很强的氧化能力,可以从附近的析氧中心中夺取电子.析氧中心通过这一过程失去4个电子,可以将两分子水氧化生成一分子氧气和4个质子.作为水裂解的半反应之一,水氧化在热力学方面需要很多能量来断裂4个O-H键(ΔE=1.23 V vs.NHE),在动力学方面涉及4个氢原子与2个氧原子的重组以及氧气的释放,因而水氧化析氧是一个非常缓慢的过程,如何高效稳定地催化水氧化一直是人们研究的热点和难点.研究发现,自然界中存在的析氧中心为Mn₄CaO(x)的钙锰簇合物,在水氧化过程中生成的Mn=O物种可以被游离的水分子亲核进攻形成O-O键,也可以与桥连μ-O(H)反应生成O-O键.通过对析氧中心持续的研究,在过去几十年中设计合成了一系列具有水氧化催化活性的基于金属配合物的分子催化剂.分子催化剂催化水氧化一般主要分为金属-氧物种的演化过程以及O-O成键过程.通常,金属-氧物种可以通过失电子或质子耦合的失电子过程逐步生成高价态的金属-氧物种,其引发的O-O成键过程通常是水氧化催化循环的决速步骤.基于之前的研究成果,目前主要报道了五种不同的O-O成键机理:(1)水亲核进攻金属-氧物种的WNA机理,(2)金属-氧自由基耦合的I2M机理,(3)金属-羟基自由基耦合的HC机理,(4)分子内进攻桥连氧的IOC机理以及(5)氧化还原异构的RI机理.本文综述了过去几十年水氧化分子催化剂的发展,总结了贵金属钌和铱配合物到第一过渡金属锰、铁、钴、镍和铜配合物催化水氧化过程中金属-氧物种的生成与演化,重点阐述了引发O-O成键过程的高价态金属-氧物种的种类及其不同的O-O成键机理.重点总结了O-O成键中WNA机理与I2M机理的异同,并阐述了催化剂设计对WNA与I2M机理选择性的影响.通过对金属-氧物种种类和O-O成键机理的总结,将有助于进一步设计合成高效稳定的水氧化分子催化剂.     

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...     

锰配合物催化加氢反应的研究进展

过渡金属催化不饱和有机化合物的加氢反应具有原子经济性高、绿色环保等优点,一直是有机化学研究的重点和难点.当前加氢反应中最常用的催化剂主要是铑、钌、铱、钯等贵金属,以储量丰富的金属锰作为催化剂更符合可持续发展的要求,在过去的几年中,锰催化的醛、酮、酯、腈、酰胺等不饱和化合物的氢化反应得以实现.我们系统地总结了锰配合物在加...     

聚合物键合Cu（Salen）的合成及其催化作用

一些简单的无机配合物已经广泛地用作氧载体和氧化催化剂,其中研究较多的是过渡金属卟啉和席夫碱（Schiff base）－过渡金属配合物。其中,席夫碱－过渡金属配合物的合成简单、易于控制配体的电子与立体因素,因而其催化性能的调变更具有灵活性,其分子氧体系已用于烯烃的环氧化和醇类的氧化,卟啉钴配合物－分子氧体系对硫醇的催化氧化研究已报道,其于席夫碱－金属配合物具有结合分子氧的特性和催经作用,以及高分子配合物催化剂的特点,我们合成了聚合物键合双水扬醛缩乙二胺合铜（Ⅱ）,并将其用于催化分子氧氧化丙硫醇转化成二硫化物。     

铁基阳极析氧催化剂的研究进展与展望

利用电解水制氢来储存太阳能是未来能源发展的一大趋势。 水的阳极氧化是这一过程中最重要也是最复杂的一步。 因此,设计稳定而高效的水氧化催化剂是电解水制氢的关键。 目前,研究比较成熟的是基于贵金属钌的水氧化催化剂,但由于其价格昂贵、储量较少无法大规模利用。 铁作为钌的同族元素用于水氧化催化近年来受到了越来越多的关注。 本文从铁基阳极水氧化催化剂研究现状、制备方法、催化体系及机理3个方面对电解水铁基阳极催化剂进行了综述。 分析其当前存在的问题,为水氧化催化剂的进一步研究设计提供参考。     

Molecular complexes in water oxidation: Pre-catalysts or real catalysts

Artificial photosynthesis is considered a promising method to produce clean and renewable energy by sunlight. To accomplish this aim, development of efficient and robust catalysts for water oxidation and hydrogen production is extremely important. Owing to the advantages of easily modified structures and traceable catalytic processes, molecular water oxidation catalysts (WOCs) attract much attention during the past decade. However, the transformation of molecular WOCs to metal oxides/hydroxides or metal ions may occur under the harsh catalytic conditions, making the identification of true active species difficult. In this article, recent progress on molecular complexes acting as real catalysts or precursors toward water oxidation was briefly reviewed. We summarized the commonly used physical techniques and chemical methods that enable to distinguish homogeneous catalysts from heterogeneous catalysts. The factors that affect the nature of WOCs, such as reaction conditions, transition metal centers, and supporting ligands were discussed as well.     

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。     

Fluorinated beta-diketonates of the first row divalent transition metals: new approach to the synthesis of unsolvated species

An original low-temperature solid-state route for the preparation of metal beta-diketonates in their unsolvated forms has been suggested. Four new first row divalent transition metal beta-diketonates, M(hfac)2 (M = Mn (1), Fe (2), Co (3), and Ni (4); hfac = hexaluoroacetylacetonate), have been isolated in quantitative yield. Compounds 1-3 have been obtained by comproportionation reaction between the corresponding M(hfac)3 and metal powder. Ni(hfac)2 (4) has been synthesized by oxidation of metallic nickel with Cu(hfac)2. All products have been characterized spectroscopically and by X-ray powder and single crystal diffraction techniques. The solid state structures of 1-4 feature polynuclear molecules, in which the coordinatively unsaturated metal centers fulfill an octahedral environment by Lewis acid-base interactions with the oxygen atoms of diketonate ligands acting in chelating-bridging fashion. Title transition metal diketonates have been shown to retain their polynuclear structures upon sublimation-deposition procedure as well as in solutions of non-coordinating solvents. In coordinating solvents the molecules of 1-4 quickly form the mononuclear M(hfac)2L2 (L = donor solvent) complexes.     

d^0过渡金属化合物对氧气反应性：合成和反应机理研究

众所周知,过渡金属如卟啉中的铁与氧气的结合和反应对许多生物功能和催化氧化至关重要．在这些反应中,过渡金属一般含d价电子,并且金属被氧化往往是其中一个重要的反应步骤．近年来,氧气与d^0过渡金属化合物如Hf（NR2）4（R=烷基）的反应被广泛用来制备金属氧化物薄膜以作为新型微电子器件中的栅（门）绝缘材料．这篇专题文章讨论我们近期对这些反应以及TiO2薄膜形成的研究．在许多氧气与d^0过渡金属化合物的反应中,总是金属被氧化．然而,在d^0过渡金属化合物如Hf（NMe2）4和Ta（NMe2）4（SiR3）与氧气的反应中通常是配体被氧化．如-NMe2和--SIR3配体分别形成了-0NMe2和--OSiR3配体．反应机理和理论方面的研究显示了微电子金属氧化物薄膜形成的途径．     

Evolution of iridium-based molecular catalysts during water oxidation with ceric ammonium nitrate

Organometallic iridium complexes have been reported as water oxidation catalysts (WOCs) in the presence of ceric ammonium nitrate (CAN). One challenge for all WOCs regardless of the metal used is stability. Here we provide evidence for extensive modification of many Ir-based WOCs even after exposure to only 5 or 15 equiv of Ce(IV) (whereas typically 100-10000 equiv are employed during WOC testing). We also show formation of Ir-rich nanoparticles (likely IrO(x)) even in the first 20 min of reaction, associated with a Ce matrix. A combination of UV-vis and NMR spectroscopy, scanning transmission electron microscopy, and powder X-ray diffraction is used. Even simple IrCl(3) is an excellent catalyst. Our results point to the pitfalls of studying Ir WOCs using CAN.     

Complex Formation Between Hydroxy Naphthol Blue and First Row Transition Metal Cyanide Complexes

Abstract

It has been found that cyanide complexes of first row transition metal elements exhibit enhanced binding to hydroxy naphthol blue (HNB) relative to the binding of corresponding aquo-ions. HNB forms a 2:1 complex with Fe³⁺ and Cu²⁺ cyanides, and 1:1 complexes with all other transition metal cyanide complexes studied; formation constants have been calculated from the spectrophotometric data in each case. It is possible to use HNB as a spectrophotometric reagent for transition metal cyanide complexes, lower limits of detection being determined for each complex.     

1,4,7-三氮杂环癸烷过渡金属配合物的合成与结构表征

以十元环大环三胺配体1,4,7-三氮杂环癸烷(tacd)为主配体,分别与钴、镍、铜和锌的顺丁烯二酸盐和己二酸盐进行反应,得到了8种含有双大环的单核配合物,利用元素分析,红外光谱以及热重分析等手段对它们的结构进行了表征.结果表明这八种配合物具有类似的配位结构.     

大环多胺及其金属配合物的研究新进展

论述了大环多胺及其金属配合物的合成应用研究进展,阐述了单核,双核及多核大环多胺的类型及其与金属的配合情况,全面地论述了该类化合物的超分子识别及其对核酸的切割作用,并讨论了其在金属配合物的荧光及其发光性能.     

过渡金属磷化物析氢催化剂的掺杂调控

过渡金属磷化物因其优异的催化性能成为最有可能取代贵金属的廉价电催化分解水制氢催化材料, 对其进行元素掺杂将有望大幅提升其活性和稳定性. 本文综合评述了近年来通过掺杂改性手段调节过渡金属磷化物性能的相关研究. 讨论了元素种类(金属掺杂、 非金属掺杂、 共掺杂)、 元素数量(单元素掺杂、 多元素掺杂、 高熵化)和掺杂位置等因素对过渡金属磷化物电子结构的影响; 并从实验和理论相结合的角度, 分析了掺杂元素对氢吸附强度、 水吸附解离及电荷转移传输等方面的作用规律, 获得了掺杂结构-电子结构-析氢反应催化性能间的构效关系. 最后, 讨论并提出了相关研究存在的挑战和未来的研究方向.