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单钴位点催化O₂转化为H₂O₂的机理研究

日期: 2025-06-17
浏览次数: 56

来源:X-MOL

氧还原反应(ORR)在众多能量转化系统中对氧气进行还原具有重要意义。尽管已开发出金属配合物和材料作为ORR催化剂,但研究ORR机制仍具有挑战性。金属超氧氢化物和金属过氧氢化物可能是ORR中的关键中间体,但由于以下原因,对这两种物质及其反应性质的理解仍然不足:(1)这两种物质具有极高的活性;(2)它们存在多种进一步反应和分解的途径。例如,由于结合力较弱,超氧氢容易从金属中心脱离,使得金属超氧氢化物的表征极为困难。此外,金属过氧氢化物可在远端O原子处质子化以进行四电子ORR,或在近端O原子处质子化以进行两电子ORR。即使对于相对简单的两电子ORR,金属过氧氢化物也可通过多种可能的途径释放H2O2。受细胞色素c氧化酶的启发,金属卟啉作为ORR催化剂已得到广泛研究。CoII卟啉化合物在均相催化中对O2转化为H2O2具有选择性。尽管已研究CoII卟啉化合物的ORR机制,但CoIII-超氧氢化物[CoIII(O2•H)]+和CoIII-过氧氢化物[CoIII(O2H)]尚未得到明确认识。此外,从[CoIII(O2H)]开始,至少有三种途径可完成催化循环以生成CoII和H2O2:电子转移-质子转移(ETPT)、质子转移-电子转移(PTET)以及质子耦合电子转移(PCET)。因此,识别[CoIII(O2•H)]+和[CoIII(O2H)]并揭示它们的反应性质对于理解Co催化的O2至H2O2转化至关重要。

本文作者对Co卟啉配合物1催化ORR机制进行了研究。在以十甲基二茂铁(Fc*)为还原剂和HClO4为质子源的条件下,配合物1可以选择性催化O2还原为H2O2。通过利用1的分子口袋稳定活性O2-加合物,他们合成了[CoIII(O2•H)]+和[CoIII(O2H)],并通过EPR,红外光谱,以及XAS进行表征,还研究了它们的反应特性。作者确认了[CoIII(O2•H)]+可被还原为[CoIII(O2H)],并揭示了[CoIII(O2H)]通过PTET途径生成CoII并释放H2O2。基于这些发现,他们提出了1催化的ORR循环。首先,CoII与O2和HClO4反应生成[CoIII(O2•H)]+,动力学结果显示,O2与CoII结合的速率(kobs = 0.15 s⁻¹,[O₂] = 1.6 mM)小于整体催化速率(kobs = 1.70 s⁻¹,[O₂] = 1.6 mM,[HClO4] = 0.04 M),但加入0.04 M HClO4后,O₂结合速率显著增加至1.76 s⁻¹。这些结果表明,O2与1结合是平衡反应,且HClO4可通过质子化超氧物种(kPT1 = 1.24 × 10⁴ M⁻¹ s⁻¹)促进O₂结合。为简便起见,作者将质子耦合的O2结合作为速控步骤(rds)。其次,Fc*对[CoIII(O2•H)]+的还原生成[CoIII(O2H)],该反应非常快,因此估计该还原反应的速率常数kET1> 10⁷ M⁻¹ s⁻¹。第三,[CoIII(O2H)]的质子化反应释放出H2O2,kPT2 =  2.94 × 10⁵ M⁻¹ s⁻¹。第四,Fc*还原CoIII为CoII(kET2> 10⁷ M⁻¹ s⁻¹),完成催化循环。据作者所知,此前很少有研究识别出ORR过程中的CoIII-超氧氢化物和CoIII-过氧氢化物,且尚未明确CoIII-过氧氢化物形成CoII和H2O2的实际途径。因此,本研究对于阐明单个Co位点上的ORR过程具有根本性意义,为新型ORR催化剂的设计提供了重要参考。



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