有機物電合成具有反應條件溫和(環(huán)境溫度和壓力)和沒有潛在危險的氧化劑或還原劑等特點。在眾多化學品中，乙二醇(EG)是一種需求量很大的重要商品化工產品，傳統(tǒng)的EG生產方法是通過熱催化氧化制取，這種方法消耗大量的化石燃料并排放CO2，且反應中間體環(huán)氧乙烷的處理和純化成本很高。一步電化學C2H4-EG轉化法提供了一個可持續(xù)的路線，但是其存在依賴于貴金屬催化劑、活性低和選擇性不理想等缺點，嚴重限制了該方法的工業(yè)應用。
近日，清華大學段昊泓和李必杰等在碳納米管上負載酞菁鈷(CoPc/CNT)，用于一步電化學C2H4轉化為EG的反應。實驗結果表明，該催化劑在常溫常壓下以100%的選擇性和1.78 min?1的周轉頻率生產EG，比Pd催化劑更具競爭力。此外，研究人員對CoPc/CNT的穩(wěn)定性進行了測試。在連續(xù)20小時的電解試驗中，EG的平均產率和法拉第效率(FE)分別為12.2 μmol h?1和21.2%，并且在反應過程中沒有觀察到明顯的催化性能損失和CoPc聚集。基于實驗和原位光譜表征，研究人員提出CoPc/CNT在C2H4電化學氧化成EG過程中充當多功能催化劑：1.水活化：CoPc中的Co中心在電化學條件下被水氧化，產生高價鈷氧化物；2.烯烴環(huán)氧化：類似于均相體系，由此產生的Co-oxo物種催化C2H4環(huán)氧化，通過氧轉移過程得到吸附的EO；3.環(huán)氧化物開環(huán)：Co-oxo的Lewis酸位點激活EO向水的親核攻擊，最終形成開環(huán)產物EG。此外，電極表面高濃度的H+也通過H+介導的途徑參與了開環(huán)反應。值得注意的是，先前報道的通過氧轉移過程的C2H4-EO轉化中，使用H2O2在TS-1上實現C2H4-EO轉化的轉化，并且在另一種酸溶液或在另一種固體酸上完成EO向EG的轉化；相比之下，CoPc獨特的多功能特性使得在一個單一催化劑的反應器中實現一步電化學C2H4轉化為EG。One-step electrochemical ethylene-to-ethylene glycol conversion over a multitasking molecular catalyst. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c14381
