白皮書：電催化促進永續化學品生產
本白皮書介紹了最近經過同行評審的研究範例，展示了梅特勒 -托利多技術提供的深入資訊和精確控制如何有助於在四個主題中支援綠色和永續化學：
- 綠色合成和工藝
- 透過連續加工實現永續性
- 再生資源的增值
- 二氧化碳封存與使用
什麼是電催化？
機制、應用、實例和技術
電催化代表了一種特定類別的催化過程，其中電流引起化學反應。這種現象通常發生在電極表面，其中存在催化劑，從而增強了反應動力學並減少了反應進行必須克服的熱力學能壘。
電催化劑改變電化學轉化所需的活化能，透過創新的反應途徑實現更廣泛、更具選擇性的反應範圍。
了解有關電催化研究技術的更多資訊。
為什麼電催化很重要？
電化學和電催化劑在有機化學中很重要，原因有幾個相互關聯。電催化合成中使用的過渡金屬配合物促進了新途徑、機制和中間體的產生，從而實現了傳統合成策略通常具有挑戰性或不可行的化學轉化。透過微調電位，研究人員可以實現高選擇性，同時最大限度地減少 副產物的形成。
電催化已被證明在關鍵化學轉化中有效，例如功能化 C-H 鍵、交叉偶聯反應以及氧化和還原過程。此外，在溫和的條件下使用電子 驅動化學轉化，而不是依賴危險、有毒或高能的化學試劑，符合綠色化學的原則，減少污染並促進永續生產。
電催化在全球追求清潔能源生產中也發揮著重要作用。燃料電池等永續能源技術依賴電催化劑進行氧還原、析氧和析氫反應。使用鐵、鎳等地球上豐富的金屬以及石墨烯等碳基催化劑的先進電催化劑的開發進展迅速，進一步增強了電催化在能源應用中的潛力。
異質和均相電催化
電催化可以是均勻的， 也可以是非均質的。均相電催化利用電化學氧化還原慢化劑，可以是特定的有機化學物質或過渡金屬配合物，以提高電子轉移的效率。相反，當電極表面本身充當催化劑，促進電子轉移到反應物時，就會發生多相電催化。非均相電催化和均相電催化之間的主要區別在於催化劑相對於反應物和電解質的相關係。
電合成和電催化應用技術
電合成和電催化應用技術
拉曼和 FTIR 等光譜技術用於電催化，以檢查動態過程並闡明電化學反應的機制，從而增強催化劑的設計和性能。
原位電化學紅外光譜
ReactIR™ 在反應進行過程中提供反應物、試劑、中間體、產物和副產物的實時反應趨勢信息。這會產生有關動力學、機制、途徑、催化循環以及反應變數對性能影響的精確資訊。光纖連接的浸沒式探頭和在線流通池可以靈活地直接在反應容器或連續流動系統中監測溶液相化學成分。
原位/操作 FTIR 光譜在反應容器、電解槽內或透過電合成流通池的線上監測即時追蹤和分析電催化化學。該技術使研究人員能夠透過分析反應溶液紅外光譜的變化來觀察各種因素（例如微調電位、試劑濃度和電解質組成）如何影響合成。FTIR 光譜 可以監測電催化過程形成的起始材料和產物以及關鍵中間體的濃度變化。 獲得的信息通常可以提供對反應動力學和機理的無與倫比的見解，以及對電子轉移、催化劑狀態、催化循環、催化劑構效關係和催化劑降解的完整理解。
原位拉曼光譜電化學
緊湊、高性能的 ReactRaman™ 光譜儀通過光纖連接的採樣接口，包括浸入式探針、在線流動池和非接觸式分析探針，針對原位應用進行了優化。全面、直覺的iC拉曼™軟體透過即時反應趨勢分析提供高品質的數據和反應資訊。
原位/操作拉曼光譜是研究電催化反應的有效技術，在實時跟踪和表徵電催化反應種類方面具有許多與 FTIR 類似的優勢。拉曼光谱特別適合分析在水介質中進行的合成。 拉曼光譜還擅長研究表面結構 和電解質-電極界面，並識別與催化劑表面結合的分子種類，這可以增強對電催化潛在機制的理解。
電催化在工業中的應用
用於析氧反應的介孔鎳鐵電催化劑的原位模板合成
王 Y.、Yu， J.、王 Y.、陳 Z.、董 L.、蔡 R.、洪 M.、龍 X 和楊 S. （2020）。用於析氧反應的介孔鎳鐵電催化劑的原位模板合成。 RSC 進展， 10（39）， 23321–23330。 https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
為了支持電催化劑的開發，ReactRaman 提供了有關介孔鎳鐵電催化劑內部和表面鍵合的詳細信息。
作者評論了開發用於產氧反應 （OER） 的電催化劑的重要性。這些電催化劑必須具有特定的關鍵效率特性，例如均勻分佈在催化劑表面且易於獲得的活性位點，同時具有成本效益和可持續性。為了實現這些目標，他們研究並開發了一種方法，以簡單的方法製備介孔氣相二氧化矽 （MFS） 框架，該框架使用簡單的方法分散 Ni²⁺ 和 Fe³⁺。該方法使用市售的MFS作為3D支撐物來附著金屬離子。通過用KOH蝕刻MFS金屬浸漬結構，形成的Ni−Fe−O電催化劑具有OER的關鍵特性，如良好的電荷轉移能力、大電化學活性表面積和整體優異的穩定性。
用不同摩爾比的金屬離子水溶液合成了一系列NiFe-MFS催化劑。使用一系列技術來詳細了解這些電催化劑的微觀結構。這包括透射電子顯微鏡研究納米結構，能量色散X射線繪製Ni、Fe、Si和O元素分布圖，以及X射線衍射分析樣品結晶度。通過發射掃描電子顯微鏡研究形態學;X射線光電子能譜分析了元素結合能，並使用電感耦合等離子體原子發射光譜儀進行了元素分析。使用氮氣吸附-解吸測量研究了表面積和結構孔隙率。
Ni/Fe金屬與氣相二氧化矽載體的結合用ReactRaman光譜進行了分析和驗證。對於未摻雜的 MFS，觀察到 345–450、575、750、973 和 1070 cm⁻¹ 處的能帶，這是由一系列 Si−O−Si 和 Si−OH 振動鍵產生的。對於浸漬高鐵含量的樣品，分別觀察到 332、495 和 1163 cm⁻¹ 處的帶，分別由 O-Fe-O 彎曲、Fe-O-Si 彎曲和 Fe-O-Si 不對稱拉伸產生。這些觀察結果表明，鐵有效地融入了二氧化矽晶格中。相比之下，當鎳浸漬到氣相二氧化矽中時，973 cm⁻¹表面Si−OH拉伸帶明顯減弱，沒有觀察到額外的帶。評估 X 射線光電子和拉曼測量得出的結論是，Fe³⁺ 更喜歡插入氣相二氧化矽的框架並形成 Fe-O-Si 鍵合，而 Ni²⁺ 與氣相二氧化矽表面的 Si-OH 基團共價結合。
進行了一系列電分析研究，顯示金屬離子比對性能的重要性，以及最佳含量的鎳和鐵鍵合可實現最佳的 OER 效率並改善反應動力學。1Ni1Fe-MFS樣品表現出最高的OER本徵活性，而2Ni1Fe-MFS催化劑具有更大的雙層電容和電化學活性表面積。進行了一系列光譜研究，以確定開放式能源後催化劑的變化。他們表明，在 KOH 存在的情況下，Si 被蝕刻，暴露了 Ni 和 Fe 元素，它們是 OER 活性中心。進一步的研究表明，與 IrO₂ 和 RuO₂ 電極的測試相比，即使在長期電氣操作後，2Ni1Fe-MFS 催化劑在 OER 過程中仍保持高效和穩定。
在可再生溶劑中通過鈷催化進行電化學 C−H 胺化
紹爾曼，N.、梅，R. 和阿克曼，L. （2018）。在可再生溶劑中通過鈷催化進行電化學 C−H 胺化。 Angewandte Chemie 國際版， 57（18）， 5090–5094。 https://doi.org/10.1002/anie.201802206
ReactIR 為所提出的 C−H 胺化電催化循環提供動力學和機制資訊。
作者評論了取代胺的廣泛重要性以及合成這些關鍵化合物的各種方法。其中包括 使用鈀催化劑的金屬催化交叉偶聯反應或穩定的 C-H 鍵的直接胺化反應，這消除了使用芳基鹵化物的需要。在後一種情況下，需要化學計量量的銅 （II） 或銀 （I） 鹽，這些鹽會導致不良含金屬副產物的形成。相比之下，該團隊提出的工作使用電力作為實現 C−H 活化胺化的可持續且廉價的手段。他們的工作包括 使用可再生溶劑進行 C-H 功能化和鈷催化的高選擇性電化學 C-H 胺化。在優化電催化胺化方面付出了巨大的努力，包括確定鈷鹽作為有效的催化劑，以及用作反應溶劑的生物質衍生的可再生溶劑 g-戊內酯。此外，確定電化學胺化需要羧酸鹽的存在，乙酸鉀被確定為最有效的添加劑。
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