为了缓解能源危机、全球变暖和环境污染,探索清洁可再生能源至关重要[1]。氢燃料是一种无碳且无污染的能源。从水中提取氢气是解决能源短缺问题的一种策略[[2], [3], [4]]。然而,水分解的效率较低,因此需要催化剂来促进水分解反应(HER)。目前,基于铂的催化剂在HER方面表现出较高的催化活性,但铂资源稀缺且价格昂贵[[5], [6], [7]]。因此,迫切需要开发基于非贵金属的HER催化剂。在这方面,已经发现许多第一族过渡金属(如Fe [8,9]、Co [[10], [11], [12], [13]] 和 Ni [14,15])的化合物是有效的HER催化剂。
许多铜配合物已被用于光催化水分解[16,17]以及电催化CO2还原[[18], [19], [20]]和水氧化[[21], [22], [23]]。然而,只有少数铜配合物被用于电催化HER。化合物 [(bztpen)Cu](BF4)2(bztpen = N-苯基-N,N',N'-三(吡啶-2-基甲基)乙二胺)是首个在水溶液中报道的均相铜HER催化剂[24]。随后,含有Schiff碱大环[25]、草酸酯[26]、corrole[27]和卟啉[28]的铜配合物也被用于电催化HER。同时,含有terpyridine衍生物的铜(II)配合物在含有乙酸(AcOH)的有机溶液或水溶液中显示出高效的HER催化活性[29,30]。研究表明,对bis(terpyridine) Co(II)配合物进行CF3和/或Me2N基团取代或引入喹啉或异喹啉结构后,terpyridine配体上的取代基对HER的过电位、催化机制以及钴催化剂的稳定性有显著影响[31]。研究表明,作为金属配合物重要组成部分的有机配体在催化反应中起着关键作用,例如作为质子受体和/或直接参与电子转移过程[[31], [32], [33]]。具有相同或相似配体的金属配合物在不同的反应条件下可能会产生不同的中间体和HER催化路径。有机配体的修饰和/或金属配合物的几何构型变化可能会显著影响其催化性能[34,35]。
三唑衍生物因其合成多样性及其应用范围(从生物活性到超分子组装特性,如基于荧光的化学传感器、防腐剂和磁性特性[[36], [37], [38], [39], [40]]而受到关注。与terpyridine类似,双三唑吡啶作为三齿螯合剂,能够形成具有不同特性的多种过渡金属配合物[41]。最近,我们合成了新的双三唑吡啶及其金属配合物,并研究了它们的催化活性和光物理性质[42,43]。基于双三唑吡啶 dimethyl-2,2′-(pyridine-2,6-diyl bis(1H-1,2,3-triazole-4,1-diyl))diacetate (dbes) 的铜配合物Cudbes在水溶液中的HER催化作用根据质子源的不同而采取两种不同的途径[44]。在AcOH存在下,其HER催化活性最高,反应速率常数(kobs)为1377 s-1。这表明双三唑吡啶在HER催化剂开发方面具有巨大潜力。在本研究中,制备并表征了三种含有双三唑吡啶 L1 和 L2(L1 = 2,6-双(1-(吡啶-2-基)-1H-1,2,3-三唑-4-基)异烟酸甲酯,L2 = 2,6-双(1-甲氧基羰基甲基-1H-1,2,3-三唑-4-基)异烟酸甲酯)的铜配合物 [Cu(L1)2](ClO4)2 (Cu-L1)、[Cu(L2)2](ClO4)2·2CH3CN (Cu-L2) 和 [Cu(L2)(Cl)2]·CH3OH (Cu-L2-Cl)。在乙腈中,使用AcOH作为质子源,研究了这三种铜配合物的HER催化性能。所有三种配合物都是高效的HER分子催化剂。(图1)