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。