《Nature Chemistry》期刊发表学院关于高效无金属电催化乙炔半氢化的研究成果

近日，学院张蕾副教授以第一作者在《Nature Chemistry》期刊在线发表题为《Deprotonated 2-thiolimidazole serves as a metal-free electrocatalyst for selective acetylene hydrogenation》的研究论文。

无金属分子催化剂是传统金属基催化剂的理想替代品。然而，具有明确活性位点的分子催化剂难以表现出与金属基材料媲美的活性。为此，本研究工作报道了2-巯基咪唑作为无金属分子催化剂，可高效电催化乙炔半氢化为乙烯。在碱性电解液中，2-巯基咪唑的巯基和亚氨基自发地去质子化成二价阴离子，通过富集其吡啶氮负电荷密度以增强亲电乙炔的σ吸附，实现了媲美铜和钯基等金属材料的电催化性能。研究发现不同咪唑衍生物电催化活性与其吡啶氮负电荷密度呈火山关系，凸显了无金属分子催化剂在电催化中的可调性和潜在前景。本工作为设计无金属分子催化剂和探索新型电催化机制提供了思路。

学院张蕾副教授和20级硕士研究生白瑞为论文的共同第一作者，山西大学卫智虹老师和西北工业大学张健教授为论文的共同通讯作者，西北工业大学为论文第一单位。该工作得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省重点研发计划、广东省区域联合基金和中央高校基础研究经费的资助支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01480-6

图1. 2-巯基咪唑去质子化实现高效电催化乙炔半氢化的反应示意图

图2. 三电极流动池中2-巯基咪唑和金属基催化剂的电催化乙炔半氢化性能对比图。2-巯基咪唑和商业金属催化剂（铜，钯和银）在1 M KOH溶液中纯乙炔流下的 (a) 极化曲线，(b) 乙烯分电流密度和 (c) 乙烯法拉第效率；(d) 2-巯基咪唑与之前报道的金属基催化剂的电催化性能对比图

图3. 两电极流动池中2-巯基咪唑的电催化乙炔半氢化性能。(a) 两电极流动池（电极面积为 1 cm²）中纯乙炔流下的法拉第效率和槽压与电流密度的关系图；(b) 在大面积两电极流动池（电极面积 49 cm²）中，粗乙烯流（1%乙炔和99%乙烯）下残余乙炔浓度与阴极电流密度的关系图；(c) 2-巯基咪唑在阴极电流密度为14 mA cm^-2时用于粗乙烯流中乙炔连续半氢化的长期稳定性测试

图4. 2-巯基咪唑电催化乙炔半氢化的机理研究。2-巯基咪唑在H₂O和1 M KOH溶液中的 (a) ¹H NMR 光谱和 (b) ¹H-¹⁵N 异核多键相关光谱；电催化乙炔半氢化前后电极上2-巯基咪唑的 (c) TOF-MS图谱和 (d) 傅立叶变换红外光谱；(e) 2-巯基咪唑在1 M KOH溶液中乙炔半氢化电极上的原位电化学傅立叶变换红外光谱；(f) 去质子化2-巯基咪唑乙炔半氢化成乙烯的吉布斯自由能图

图5. 不同咪唑衍生物的作用机理研究。(a) 不同咪唑衍生物在1 M KOH溶液中去质子化示意图；不同咪唑衍生物在1 M KOH溶液中纯乙炔流下的 (b) 极化曲线和 (c) 乙烯分电流密度；(d) 不同去质子化咪唑衍生物乙炔半氢化成乙烯的吉布斯自由能图；(e) 不同咪唑衍生物的乙烯分电流密度与其吡啶氮自然电荷的相关性

文:张蕾、郑聪

审核:陈凯杰