Imidazole for Pyridine Substitution Leads to Enhanced Activity Under Milder Conditions in Cobalt Water Oxidation Electrocatalysis

咪唑取代吡啶可提高活性，實現鈷較溫和的條件下對水氧化電催化

來源：Inorg. Chem DOI: 10.1021/acs.inorgchem.8b02942

 

論文總結

研究通過將吡啶配體替換為咪唑基團，設計了一種新型鈷基分子電催化劑（復合物3），并系統評估了其在水氧化反應中的性能、機制及穩定性。以下是對論文的詳細總結。

 

摘要概括

摘要指出，一種先前報道的鈷配合物（使用四咪唑基取代的吡啶螯合物）在pH 7下是一種活性水氧化電催化劑，具有中等過電位。盡管該配合物在電催化條件下快速分解為活性較低的物種，但詳細電化學研究支持其初始作為分子催化劑的作用。循環伏安法測量證實，與之前的吡啶基系統相比，咪唑基供體使Co中心更富電子。主要電催化行為變化包括在較低pH下活性增強，以及催化活性對pH的顯著依賴性。這些發現揭示了配體微調對催化機制的影響。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

開發一種基于豐富第一行過渡金屬（鈷）的分子水氧化催化劑，能夠在溫和pH條件（中性至弱堿性）下高效操作，避免使用昂貴貴金屬或苛刻環境。

通過配體設計（用咪唑基團替代吡啶），調諧催化劑的電子結構和反應性，增強活性和穩定性。

闡明催化劑的反應機制，特別是pH依賴性和質子耦合電子轉移（PCET）步驟的作用。

 

區分均相與異相催化貢獻，驗證分子催化劑在降解前的初始agency。

 

研究思路

研究采用“合成-表征-電化學測試-機制分析”的系統策略：

 

催化劑合成：以2,6-雙(雙(2-咪唑基))甲醇吡啶（tip(Me)）為配體，與[CoII(MeCN)6][OTf]2反應，一鍋法合成復合物3（[CoII(tip(Me))(MeCN)][OTf]2），并通過蒸汽擴散結晶獲得單晶。

結構表征：使用X射線衍射（XRD）、核磁共振（NMR）、電子順磁共振（EPR）、紫外-可見光譜（UV-vis）等技術確認配合物結構、電子態和O2結合能力（形成超氧復合物4）。

電化學評估：通過循環伏安法（CV）在變pH條件（pH 6-9）下測試催化活性；使用控制實驗（如中毒實驗、電解后測試）區分均相與異相催化。

氧氣演化量化：采用丹麥Unisense微傳感器系統實時監測溶解O2濃度，計算法拉第效率和降解動力學。

 

機制探討：結合pH依賴性、氘標記動力學同位素效應（KIE）和緩沖液濃度實驗，推斷速率決定步驟和PCET作用。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖/表編號）及研究意義：

 

晶體結構數據（來源：Fig. 2）

 

數據：X射線衍射顯示復合物3為單核結構，Co與咪唑/吡啶氮原子的平均鍵長為2.09 ?，比吡啶基系統（如復合物1的2.16 ?）更短。

 

研究意義：證實咪唑基配體提供更強電子密度，使Co中心更富電子，為增強還原性和催化活性提供結構基礎。

 

電化學pH依賴性數據（來源：Fig. 3）

 

數據：CV曲線顯示，催化峰值電流在pH 8.5時最高（約0.08 A），pH >8.5后急劇下降；峰值電位隨pH線性偏移（斜率0.055 V/pH單位）。

 

研究意義：表明催化活性受pH調控，斜率接近1e–/1H+ PCET理論值（0.059 V/pH），提示速率決定步驟可能涉及質子轉移；與吡啶系統（pH無關）對比，揭示機制差異。

 

氧氣演化法拉第效率數據（來源：實驗部分，Unisense電極測量）

 

數據：控制電位電解（1.25 V vs. Ag/AgCl）下，溶解O2濃度增加，法拉第效率為84±11%；但活性在10分鐘內衰減。

 

研究意義：直接證明復合物3能高效產生O2，但穩定性差；降解產物（如CoOx）活性較低，支持初始分子催化劑的主導作用。

 

均相催化驗證數據（來源：支持信息中的中毒實驗）

 

數據：添加1當量2,2'-聯吡啶（bipy）完全抑制復合物3的活性，而游離Co2?需3當量bipy才被抑制；電解后電極沖洗CV顯示活性特征消失。

 

研究意義：強有力證據表明催化由均相分子物種驅動，而非異相Co氧化物；排除常見干擾，增強結論可靠性。

 

光譜和XPS數據（來源：UV-vis、XPS分析）

 

數據：O2添加后UV-vis吸收峰（500 nm）出現，表征超氧復合物4；XPS顯示降解產物Co 2p峰位與Co氧化物一致，N:Co比低。

 

研究意義：證實O2結合能力和降解路徑；XPS數據支持催化劑分解為異相CoOx，與電化學衰減一致。

 

動力學同位素效應數據（來源：KIE實驗）

 

數據：D?O中催化峰值電流降低，KIE值約6。

 

研究意義：表明質子轉移參與決速步，進一步支持PCET機制，與pH依賴性數據吻合。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

復合物3是一種有效的分子水氧化電催化劑，在中性至弱堿性pH（7-9）下操作，過電位約0.5 V，活性優于類似吡啶系統（如復合物1）。

催化劑不穩定，在電解條件下快速降解為異相Co氧化物（活性較低），但控制實驗證實初始均相物種負責催化。

機制差異：咪唑系統顯示pH依賴性（斜率0.055 V/pH）和顯著KIE，表明決速步可能涉及PCET，形成Co(IV)-氧中間體；而吡啶系統以氧化為決速步。

 

配體設計重要性：咪唑基團增強電子密度，使氧化更易，但可能使去質子更難，導致機制轉變。這突出了微調配體對催化路徑的影響。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，使用丹麥Unisense微傳感器系統（Ox-500氧探頭）測量溶解氧氣濃度的數據具有關鍵作用，其研究意義主要體現在：

 

提供原位、實時氧氣演化定量證據：Unisense電極能夠高精度、連續監測電解過程中溶解O2濃度（檢測限低），避免了取樣擾動和延遲。數據顯示O2濃度隨電解時間增加，但10分鐘后衰減，直接捕獲了催化活性的時間動態和降解行為。

計算法拉第效率，驗證催化有效性：通過校準曲線（N2=0%、空氣=20.8%、O2=100%），將傳感器信號轉換為O2濃度，結合電荷通過量，計算出法拉第效率為84±11%。這證實復合物3能高效將電子轉化為O2，排除了副反應主導的可能性，為分子催化劑的效能提供直接證據。

揭示催化劑不穩定性：O2演化速率隨時間下降（10分鐘內活性喪失），與CV和控制實驗一致，表明催化劑降解為異相物種。Unisense數據提供了降解動力學的實時記錄，支持了“初始均相、后期異相”的催化路徑結論。

技術優勢確保數據可靠性：Unisense系統的高靈敏度和原位測量能力使其能檢測微量化合物的變化（如本研究中O2濃度從背景值增至飽和值），避免了傳統氣相色譜的復雜樣品處理。這增強了數據的準確性和可重復性，為機制分析提供堅實支撐。

與電化學數據關聯，深化機制理解：O2演化曲線與CV峰值電流變化同步，例如pH 8.5時活性最高，Unisense數據驗證了電化學活性的pH依賴性。這種多參數關聯幫助確認PCET步驟的作用，并排除異相貢獻。

 

研究意義延伸：Unisense測量不僅驗證了本催化劑的性能，還為后續優化（如提高穩定性）提供了基準。其在催化研究中的應用凸顯了實時監測技術對區分均相/異相過程和量化反應效率的重要性。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究驗證催化效率和降解行為的核心工具。通過提供原位O2濃度動態，它直接將催化劑活性與氧氣產出關聯，令人信服地證明了分子催化劑在降解前的有效性，并為理解pH依賴機制和降解動力學提供了關鍵證據。沒有這些數據，催化劑的法拉第效率和穩定性評估將缺乏直接量化支持。