负载在石墨毡上的活性银催化剂用于4-氨基-3,5,6-三氯吡啶羧酸的电化学脱氯化反应

【字体: 时间:2026年02月13日 来源:Surfaces and Interfaces 6.3

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  本研究开发了一种基于石墨毡的三维银网络电极(Ag(a)/GF),通过电沉积与电激活工艺有效解决银催化剂成本高、活性低及比表面积不足的问题。实验表明,该电极在碱性条件下对4-氨基-3,5,6-三氯吡啶甲酸(4-N-3,5,6-TCP)进行电化学脱氯时,实现99.8%的高转化率和94.3%的4-N-3,6-DCP选择性,电子转移效率提升显著,并揭示了电极表面电子结构调控对脱氯过程的关键作用。

  
Fengjiao Jian|Ruopeng Yu|Linlin Zhang|Lipeng Guo|Shuting Xu|Zhenghui Wu|Huajun Zheng|Zhefei Zhao
应用化学系,有机电化学合成石油与化工关键实验室,绿色化学合成与转化国家重点实验室,浙江工业大学,杭州310014,中国

摘要

4-氨基-3,5,6-三氯吡啶甲酸(4-N-3,5,6-TCP)的电化学脱氯是一种合成高价值4-氨基-3,6-二氯吡啶甲酸(4-N-3,6-DCP)的有效方法。银(Ag)阴极被认为是一种具有区域选择性脱氯能力的催化剂,但其成本较高、活性较低且比表面积有限。本文报道了一种负载在石墨毡(Ag(a)/GF)上的活化银催化剂,该催化剂具有由密集孔隙构成的三维网络结构。该催化剂表现出99.8%的转化率和94.3%的4-N-3,6-DCP选择性,显著优于传统的Ag/GF电极。电化学实验和理论分析表明,Ag(a)/GF的高活性源于其较大的比表面积,这促进了电子转移,并通过调节活性位点的电子结构降低了4-N-3,6-DCP脱附过程的能量障碍。本研究证实了Ag(a)/GF在电催化脱氯过程中的关键作用,并为高效生产4-N-3,6-DCP提供了一种有前景的策略。

引言

含氯有机化合物(COCs)因其独特的化学和生物活性,成为除草剂和杀虫剂生产的重要原料和中间体[[1], [2], [3], [4], [5]]。近年来,含氯吡啶类农药因其高效、低毒性、低污染和低环境残留等优点而推动了农药市场的繁荣[6,7]。4-氨基-3,6-二氯吡啶甲酸(4-N-3,6-DCP)是近年来最常用的含氯吡啶类农药中间体和激素类除草剂之一[8]。
目前,4-N-3,6-DCP的合成方法主要包括常规的功能基团转化(如二氯吡啶羧酸的胺化[9])和全卤化物的催化氢化(如4-氨基-3,5,6-三氯吡啶甲酸,4-N-3,5,6-TCP[10])。然而,功能基团转化方法通常受到化学方法的限制,这些方法能耗高、可控性差、反应步骤繁琐且产率不高[11]。相比之下,催化氢化是一种有效的生产4-N-3,6-DCP的方法,因为4-N-3,5,6-TCP可以通过C-H键的卤化轻松获得,从而有效解决了底物获取困难的问题。此外,电化学技术为4-N-3,5,6-TCP的氢化提供了一种新的方法,该方法具有精确的区域选择性、高反应活性、低能耗和温和的反应条件[8,12]。因此,设计高效的4-N-3,5,6-TCP电化学氢化电极对于其生产至关重要。
早在1980年,人们就发现银(Ag)具有优异的电化学脱氯活性,在3,4,5,6-四氯吡啶酸的电化学脱氯过程中可达到99%的2,3,5-三氯吡啶产率和75.3%的电流效率[13]。随后发现,多种银催化剂在其他脱氯系统中也表现出高活性(如2,3,5,6-四氯吡啶和2,3,5-三氯吡啶),这归因于它们独特的物理化学性质[14]。COCs在银电极上的直接电化学氢化涉及第五位C-Cl键的选择性断裂(R-X + e^- → R· + X^-)、自由基的电子捕获(R· + e^- → R^-)以及氢化产物的形成(R^- + H+ → R-H)[15]。研究表明,银能够有效地与COCs形成R-X-Ag中间体,从而增强底物的吸附和活化,提高电化学脱氯的性能[[16], [17], [18], [19]]。尽管银是一种贵金属,但由于其高成本以及由于银的块状结构导致的低活性和有限比表面积,其应用受到限制。
为了解决这些问题,研究人员将银纳米材料负载到各种基底(如玻璃碳电极、碳布、碳纤维等)上,制备了复合电极[[20], [21], [22]]。纳米级处理和负载策略可以显著增加银材料的活性位点和比表面积,减少贵金属的消耗,从而提高电化学性能[[23], [24], [25]]。石墨毡(GF)是一种三维多孔碳材料,具有随机排列的碳纤维结构,具有丰富的活性位点、优异的电子传导性和在多种电化学条件下的结构稳定性[26]。与传统基于贵金属或金属氧化物的基底相比,GF具有成本效益且适合大规模生产,是一种理想的载体[23]。因此,在GF基底上构建银纳米颗粒可以有效地分散银活性位点,提高催化性能。然而,由于银颗粒的高表面能和范德华力的作用,至今尚未开发出有效的银负载GF电极。电活化策略可以通过精确调节催化剂表面的原子排列、化学键合状态和电子结构,防止银颗粒团聚,从而增加活性位点的数量和质量[27]。
本文报道了一种简便的方法,通过电沉积(ED)在GF基底上原位生长银颗粒,随后进行电活化(EA),制备了活化银负载的GF电极(Ag(a)/GF)。亲水改性的GF基底为银颗粒的成核和生长提供了较大的比表面积,并加快了电子转移速度;电活化过程进一步调节了表面电子结构,形成了具有密集孔隙的三维网络。结果,这种Ag(a)/GF电极在4-N-3,5,6-TCP的电化学脱氯过程中表现出99.8%的转化率和94.3%的4-N-3,6-DCP选择性。

化学试剂和材料

4-氨基-3,5,6-三氯吡啶甲酸(4-N-3,5,6-TCP)、磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4,98%)、4-氨基-3,6-二氯吡啶甲酸(4-N-3,6-DCP,98%)、硝酸银(AgNO3,98%)、色谱级无水甲醇(CH3OH)、硝酸钠(NaNO3,98%)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K29-32,99%)、氢氧化钾(KOH)、碳酸钾(KHCO3,A.R.)、氰化甲基(CH3CN,色谱级)、无水醋酸锂(LiOAc,99%)和氯化钾(KCl,99%)均购自Aladdin Chemical Co和Sinopharm Chemical Reagents

催化剂表征

Ag(a)/GF电极是通过在GF基底上的电沉积(ED)后进行电活化(EA)工艺制备的(图1a)。首先,对GF基底进行两步阳极氧化处理以进行亲水改性。接触角测量显示,处理后材料的疏水性显著降低,表明改性的GF具有超亲水性(图1b)。这有利于银源的沉积和生长。XRD图谱显示...

结论

本研究开发了一种高效的Ag(a)/GF催化剂,用于4-N-3,5,6-TCP的电化学脱氯,以合成4-N-3,6-DCP。在碱性条件下,该催化剂实现了99.8%的转化率和94.3%的4-N-3,6-DCP选择性。通过形态学和价态分析表明,电活化处理通过调节电子结构有效地增加了比表面积。

作者声明

Fengjiao Jian:撰写、概念构思、方法学设计。 Ruopeng Yu:撰写、方法学设计。 Linlin Zhang:实验研究、数据分析。 Lipeng Guo:实验研究、数据管理。 Shuting Xu:资源协调。 Zhenghui Wu:项目监督、行政管理。 Huajun Zheng:撰写、审稿与编辑、概念构思、资金申请。 Zhefei Zhao:撰写、审稿与编辑、概念构思、方法学设计、资金申请。

CRediT作者贡献声明

Fengjiao Jian:撰写初稿、方法学设计、数据分析。 Ruopeng Yu:方法学设计、数据分析、概念构思。 Linlin Zhang:数据可视化、项目监督、实验研究。 Lipeng Guo:项目监督、软件应用、方法学设计。 Shuting Xu:项目监督、方法学设计、实验研究。 Zhenghui Wu:结果验证、方法学设计、实验研究。 Huajun Zheng:结果验证、项目监督、资源协调、资金申请。 Zhefei Zhao:撰写、审稿与编辑、项目行政。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家自然科学基金(项目编号22302175、22472150)和浙江省自然科学基金(项目编号LQ24E010010)的支持。
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