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北海道大学的Takeyasu课题组将通过电化学机制进行的多相热催化反应,概念化为混合电位驱动催化反应 (Mixed-potential-driven catalysis),并利用葡萄糖氧化作为模型反应验证了提出的混合电位驱动催化的理论框架。
多相催化可分为热催化和电催化 (传统是分开的),然而有一种多相催化:从整体上看,它类似于热催化,但它实际由同时发生的耦合电化学半反应组成的。研究者将其命名为“混合电位驱动催化反应”,并认为,在多组分催化剂上,每个组分的催化活性至关重要。混合电位驱动催化反应的理论框架基于每个组分的催化活性预测混合电位,强调了动力学在指导整体反应路径中的影响。在该工作中,研究者认为葡萄糖氧化的总反应是以葡萄糖电氧化半反应和氧气电还原半反应组成的,并以其作为模型反应,通过改变催化剂组分来调控其反应活性,从而验证了反应驱动力的分配在催化反应中的重要性。
图1:双组分催化剂上混合电位驱动葡萄糖氧化的机制。(a) 葡萄糖氧化的净反应可以通过葡萄糖氧化(阳极反应)和氧气还原(阴极反应)的成对电化学半反应进行。这两个半反应可以在I和II两个组分上独立进行,意味着有四种类型的电子转移。(b) 每个电化学半反应的示意极化曲线。四个电流的总和为零以保持电荷守恒,同时电位为混合电位ϕmix。(c) 测量葡萄糖氧化过程中短路电流和混合电位的实验设置示意图。
该方法将葡萄糖氧化(阳极反应)和氧气还原(阴极反应)反应解耦。Au/C充当宏观阳极,而Pt/C、Pd/C、rGO、NrGO和笼状NrGO在使用单电解池或H型电解池的相同环境中充当宏观阴极,将阳极和阴极通过外部导线短路,并同时监测短路电流和开路电位(混合电位)。此短路电流不仅是两个电化学半反应进行电子转移的指标,更是混合电位驱动催化的直接证据。同时,混合电位可以通过简单地叠加每个电化学半反应在不同催化剂组分的电化学极化曲线来预测,如图1b所示。混合电位驱动催化反应的效率显著受到催化活性的影响,催化活性指导将驱动力分配到每个半反应的过电位。该研究不仅展示了混合电位驱动催化反应在葡萄糖氧化中的应用,还表明了其在催化中的更广泛潜力,有助于设计节能且高选择性的催化系统。
论文信息
Mixed-Potential-Driven Catalysis in Glucose Oxidation
Mo Yan, Rafiq Arsyad, Nuning Anugrah Putri Namari, Hiroaki Suzuki, Kotaro Takeyasu
ChemCatChem
DOI: 10.1002/cctc.202400322
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