用于电化学氢析出的双苯并唑基吡啶铜催化剂

【字体: 时间:2026年02月13日 来源:Journal of Molecular Structure 4.7

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  氢能催化剂开发;铜配合物;三唑基配体;质子源影响;高效催化

  
Xue-Han Wang|Hai-Bin Cui|Xing-Jin Yang|Chang Liu|Ji-Chun Liu|Yuan-Qi Cai|Xing-Yu Zhang|Hua-Xin Zhang
广西大学化学与化学工程学院,中国广西南宁大学东路100号,530004

摘要

开发经济高效的水分解反应(HER)催化剂对于战略性地利用氢燃料和缓解持续的能源危机至关重要。本文制备并表征了三种铜(II)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),这些配合物含有双三唑吡啶衍生物 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)。其中,Cu-L1Cu-L2 的铜(II)中心位于由两个几乎垂直的双三唑吡啶组成的八面体环境中,而 Cu-L2-Cl 的铜(II)中心则位于一个由一个双三唑吡啶和两个氯离子组成的四方锥形环境中。在乙腈中,以乙酸(AcOH)作为质子源的情况下,研究了这三种配合物的HER催化活性,结果表明:Cu-L1Cu-L2Cu-L2-Cl 引导的HER过电位分别为0.333 V、0.320 V和0.255 V,相应的反应速率常数分别为178.1 s-1、517.0 s-1 和 577.4 s-1,法拉第效率均超过97%。提出了EEECC、EECEC 和 EECC 催化路径(E:电子转移;C:化学质子化)。双三唑吡啶上的取代基以及双三唑吡啶被氯离子取代对铜配合物的催化活性有显著影响。实验表明,双三唑吡啶铜配合物是很有前景的HER催化剂,其活性可以通过修改双三唑吡啶结构来调节。

引言

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)

材料

说明:除非另有说明,所有试剂和溶剂均为商业分析级。双三唑吡啶 L1 和 L2 是根据已报道的方法[43]合成的。

[Cu(L1)2](ClO4)2 (Cu-L1)

将配体 L1(208.0 mg,0.489 mmol)溶解在10 mL的乙腈中,然后与Cu(ClO4)2?6H2O(90.0 mg,0.242 mmol)在10 mL的乙腈中通过滴加法混合。所得溶液在室温下搅拌6小时后过滤。向滤液中加入乙醚进行扩散处理。

合成与表征

通过将 L1 和 L2分别与 Cu(ClO4)2·6H2O 以2:1的比例在乙腈中反应,制备了配合物 Cu-L1Cu-L2。在甲醇中,L2 与 CuCl2 以1:1的比例反应生成 Cu-L2-Cl。L2 和 CuCl2 在乙腈中的反应还产生了一些结晶产物,但这些产物不符合单晶测量的要求。Cu-L1 的MALDI-2 MS谱显示了460.0584、488.0639和913.1935的信号,这些信号对应于相应的碎片物种。

结论

双三唑吡啶铜(II)配合物 Cu-L1、Cu-L2Cu-L2-Cl 在乙酸(AcOH)存在下是有效的HER均相催化剂,表现出较低的过电位和较高的法拉第效率。Cu-L2 的转化次数(TOF)值高于 Cu-L1表明双三唑吡啶上的取代基对铜配合物的催化活性有显著影响。双三唑吡啶被氯离子取代也影响了铜配合物的催化活性。

CRediT作者贡献声明

Xue-Han Wang:概念构思、方法论、实验设计、初稿撰写。 Hai-Bin Cui:概念构思、方法论、实验设计、初稿撰写。 Xing-Jin Yang:实验研究、数据整理、数据分析。 Chang Liu:资源提供、数据分析。 Ji-Chun Liu:软件使用、数据可视化。 Yuan-Qi Cai:实验研究、结果验证。 Xing-Yu Zhang:数据整理、数据可视化。 Hua-Xin Zhang:概念构思、资金申请、项目管理、监督、审稿。

数据可用性声明

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

Xue-Han Wang:初稿撰写、方法论设计、实验研究、概念构思。 Hai-Bin Cui:初稿撰写、方法论设计、实验研究、概念构思。 Xing-Jin Yang:实验研究、数据分析。 Chang Liu:资源提供、数据分析。 Ji-Chun Liu:数据可视化、软件使用。 Yuan-Qi Cai:结果验证、实验研究。 Xing-Yu Zhang:数据可视化、审稿与编辑、项目管理、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金(项目编号:22465005和21865004)和广西自然科学基金(项目编号:2021GXNSFAA196063)以及大学生创新创业培训项目(项目编号:S202510593104)的资助。特别感谢Yang X.-P.教授的有益讨论。
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