白皮书：电催化促进可持续化学品生产
本白皮书介绍了最近经过同行评审的研究示例，这些示例展示了梅特勒 -托利多技术提供的深入信息和精确控制如何帮助支持四个主题的绿色和可持续化学：
- 绿色合成和工艺
- 通过连续加工实现可持续性
- 可再生资源的增值
- 二氧化碳封存与使用
什么是电催化？
机制、应用、实例和技术
电催化代表了一种特定类别的催化过程，其中电流引起化学反应。这种现象通常发生在电极表面，其中存在催化剂，从而增强了反应动力学并减少了反应进行必须克服的热力学能垒。
电催化剂改变电化学转化所需的活化能，通过创新的反应途径实现更广泛、更具选择性的反应范围。
了解有关电催化研究技术的更多信息。
为什么电催化很重要？
电化学和电催化剂在有机化学中很重要，原因有几个相互关联。电催化合成中使用的过渡金属络合物有助于产生新的途径、机制和中间体，从而实现传统合成策略通常具有挑战性或不可行的化学转化。通过微调电势，研究人员可以实现高选择性，同时最大限度地减少 副产物的形成。
电催化已被证明在关键化学转化中有效，例如功能化 C-H 键、交叉偶联反应以及氧化和还原过程。此外，在温和的条件下利用电子 驱动化学转化，而不是依赖危险、有毒或高能的化学试剂，符合绿色化学的原则，减少污染，促进可持续生产。
电催化在全球追求清洁能源生产中也发挥着重要作用。燃料电池等可持续能源技术依靠电催化剂进行氧还原、析氧和析氢反应。使用铁、镍等地球上丰富的金属以及石墨烯等碳基催化剂的先进电催化剂的开发进展迅速，进一步增强了电催化在能源应用中的潜力。
异相和均相电催化
电催化可以是均匀的， 也可以是非均质的。均相电催化利用电化学氧化还原慢化剂，可以是特定的有机化学物质或过渡金属配合物，以提高电子转移的效率。相反，当电极表面本身充当催化剂，促进电子转移到反应物时，就会发生多相电催化。非均相电催化和均相电催化之间的主要区别在于催化剂相对于反应物和电解质的相关系。
电合成和电催化应用技术
电合成和电催化应用技术
拉曼和 FTIR 等光谱技术用于电催化，以检查动态过程并阐明电化学反应的机制，从而增强催化剂的设计和性能。
原位电化学红外光谱
随着反应的进行，ReactIR™ 提供反应物、试剂、中间体、产物和副产物的实时反应趋势信息。这生成了有关动力学、机制、途径、催化循环以及反应变量对性能影响的精确信息。光纤连接的浸没式探头和在线流通池可以灵活地直接在反应容器或连续流系统中监测溶液相化学成分。
原位/作 FTIR 光谱在反应容器、电解池内或通过电合成流通池的在线监测实时跟踪和分析电催化化学。该技术使研究人员能够通过分析反应溶液红外光谱的变化来观察各种因素（例如微调电势、试剂浓度和电解质组成）如何影响合成。FTIR 光谱 可以监测电催化过程形成的起始材料和产物以及关键中间体的浓度变化。 获得的信息通常可以提供对反应动力学和机理的无与伦比的见解，以及对电子转移、催化剂状态、催化循环、催化剂构效关系和催化剂降解的完整理解。
原位拉曼光谱电化学
紧凑、高性能的 ReactRaman™ 光谱仪通过光纤连接的采样接口（包括浸没式探头、在线流通池和非接触式分析探头）针对原位应用进行了优化。全面、直观的 iC 拉曼™软件通过实时反应趋势分析提供高质量的数据和反应信息。
原位/作拉曼光谱是研究电催化反应的有效技术，在实时跟踪和表征电催化反应种类方面具有许多与 FTIR 类似的优势。拉曼光谱特别适合分析在水介质中进行的合成。 拉曼光谱还擅长研究表面结构 和电解质-电极界面，并识别与催化剂表面结合的分子种类，这可以增强对电催化潜在机制的理解。
电催化在工业中的应用
用于析氧反应的介孔Ni-Fe电催化剂的原位模板合成
Wang， Y.， Yu， J.， Wang， Y.， Chen， Z.， Dong， L.， Cai， R.， Hong， M.， Long， X.， &; Yang， S. （2020）。用于析氧反应的介孔镍铁电催化剂的原位模板合成。 RSC 进展， 10（39）， 23321–23330。 https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
为了支持电催化剂的开发，ReactRaman提供了有关介孔Ni-Fe电催化剂内部和表面键合的详细信息。
作者评论了开发用于析氧反应 （OER） 的电催化剂的重要性。这些电催化剂必须具有特定的关键效率特征，例如均匀分布在催化剂表面并易于获得的活性位点，同时具有成本效益和可持续性。为了实现这些目标，他们研究并开发了一种方法，以简单的方法制备介孔气相二氧化硅 （MFS） 框架，该框架使用简单的方法分散 Ni²⁺ 和 Fe³⁺。该方法使用市售的 MFS 作为 3D 支撑物来附着金属离子。通过用KOH蚀刻MFS金属浸渍结构，形成的Ni−Fe−O电催化剂具有OER具有良好的电荷转移能力、大电化学活性表面积和整体优异的稳定性等关键特性。
用不同摩尔比的金属离子水溶液合成了一系列NiFe-MFS催化剂。使用一系列技术来详细了解这些电催化剂的微观结构。这包括透射电子显微镜研究纳米结构，能量色散 X 射线绘制 Ni、Fe、Si 和 O 元素分布图，以及 X 射线衍射分析样品的结晶度。通过发射扫描电镜研究形貌;X射线光电子能谱分析了元素结合能，并使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪进行了元素分析。采用氮气吸附-解吸测量法研究了表面积和结构孔隙率。
用ReactRaman光谱分析并验证了Ni/Fe金属与气相二氧化硅载体的结合。对于未掺杂的MFS，观察到345–450、575、750、973和1070 cm⁻¹处的能带，这是由一系列Si−O−Si和Si−OH振动键产生的。对于浸渍高铁含量的样品，分别观察到332、495和1163 cm⁻¹处的条带，分别由O-Fe-O弯曲、Fe-O-Si弯曲和Fe-O-Si不对称拉伸产生。这些观察表明，铁被有效地掺入了二氧化硅晶格中。相反，当镍浸渍到气相二氧化硅中时，973 cm⁻¹表面Si−OH拉伸带明显减弱，没有观察到额外的带。评估 X 射线光电子和拉曼测量得出的结论是，Fe³⁺ 更喜欢插入气相二氧化硅的框架中并形成 Fe-O-Si 键合，而 Ni²⁺ 与气相二氧化硅表面的 Si-OH 基团共价结合。
进行了一系列电分析研究，表明金属离子比对性能的重要性，并且镍和铁在最佳含量下键合可实现最佳的开放式教育资源效率并改善反应动力学。1Ni1Fe-MFS样品表现出最高的OER本征活性，而2Ni1Fe-MFS催化剂具有较大的双层电容和电化学活性表面积。进行了一系列光谱研究，以确定OER后催化剂的变化。他们表明，在 KOH 存在的情况下，Si 被蚀刻，暴露了 Ni 和 Fe 元素，它们是 OER 活性中心。进一步的研究表明，与 IrO₂ 和 RuO₂ 电极进行测试相比，即使在长期电气运行后，2Ni1Fe-MFS 催化剂在 OER 过程中仍保持高效和稳定。
钴催化在可再生溶剂中的电化学C−H胺化
Sauermann， N.、Mei， R. 和 Ackermann， L. （2018）。钴催化在可再生溶剂中的电化学 C−H 胺化。 Angewandte Chemie 国际版， 57（18）， 5090–5094。 https://doi.org/10.1002/anie.201802206
ReactIR为所提出的C−H胺化电催化循环提供了动力学和机理信息。
作者评论了取代胺的广泛重要性以及合成这些关键化合物的各种方法。其中包括 使用钯催化剂的金属催化交叉偶联反应或稳定的 C-H 键的直接胺化反应，从而消除了使用芳基卤化物的需要。在后一种情况下，需要化学计量量的铜（II）或银（I）盐，这些盐会导致不良的含金属副产物的形成。相比之下，该团队提出的工作使用电力作为实现 C−H 活化胺化的可持续且廉价的手段。他们的工作包括 使用可再生溶剂进行 C-H 官能团化和钴催化的高选择性电化学 C-H 胺化。在优化电催化胺化方面付出了巨大的努力，包括确定钴盐作为有效的催化剂，以及用作反应溶剂的生物质衍生的可再生溶剂 g-戊内酯。此外，确定电化学胺化需要羧酸盐的存在，乙酸钾被确定为最有效的添加剂。
相关出版物
Electrosynthesis and Electrocatalysis in Peer-Reviewed Publications
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