مواد نانوية مصممة للتصنيع الكهربائي العضوي للهيدروجين باستخدام الماء كمصدر للهيدروجين

ملخصتفاعل الهدرجة هو أحد أكثر التحولات استخدامًا في التخSintesis العضوية. يوفر الهدرجة الكهربائي باستخدام الماء (H2O) كمصدر للهيدروجين نهجًا فعالًا ومستدامًا لتصنيع المنتجات المهدرجة في ظروف البيئة المحيطة. يمكن أن تتجنب هذه التقنية استخدام الغاز الهيدروجيني القابل للاشتعال والضغط العالي أو غيرها من مانحات الهيدروجين السامة/المكلفة، التي عادةً ما تسبب مخاوف بيئية وسلامة وتكلفة. من المثير للاهتمام، أن استخدام الماء الثقيل المتاح بسهولة (D2O) للتخSintesis الديوتري هو أيضًا جذاب بسبب التطبيقات الواسعة لجزيئات الديوتري في التخSintesis العضوية وصناعة الأدوية. على الرغم من الإنجازات المثيرة للإعجاب، يعتمد اختيار الأقطاب بشكل أساسي على طرق التجربة والخطأ، ولا يزال كيفية تحديد الأقطاب لنتائج التفاعل غير مفهوم. لذلك، تم تطوير التصميم العقلاني للأقطاب النانوية لتحفيز الهدرجة الكهربائية لسلسلة من المركبات العضوية عبر التحليل الكهربائي للماء. في هذه الحساب، نستعرض التقدمات الأخيرة في الهدرجة الكهربائية لأنواع مختلفة من المجموعات الوظيفية العضوية، بما في ذلك C≡C، C≡N، C═C، C═O، وسلاسل C-Br/I، -NO2، والدورات النيتروجينية، مع H2O عبر كاثودات نانوية. أولاً، يتم تحليل خطوات التفاعل العامة (امتصاص المواد المتفاعلة/الوسطاء، تشكيل الهيدروجين الذري النشط (H*)، تفاعل هدرجة السطح، إزالة المنتجات) ويتم اقتراح عوامل رئيسية لتحسين أداء الهدرجة (مثل، الانتقائية، النشاط، الكفاءة الفارادية (FE)، معدل التفاعل، وإنتاجية المنتجات) ولمنع التفاعلات الجانبية. ثم، يتم تقديم أدوات الطيفية الخارجية وداخل الموقع لدراسة الوسطاء الرئيسيين وتفسير الآليات. ثالثًا، استنادًا إلى معرفة خطوات التفاعل الرئيسية والآليات، نقدم مبادئ تصميم المحفزات بتفصيل كيف يمكن تحسين اعتماد المواد المتفاعلة والوسطاء الرئيسيين، وتعزيز تشكيل H* من التحليل الكهربائي للماء، ومنع تطور الهيدروجين والتفاعلات الجانبية، وتحسين الانتقائية، معدل التفاعل، FEs، وإنتاجية الزمن والمساحة للمنتجات. ثم نقدم بعض الأمثلة النموذجية. (ط) يمكن أن يقلل Pd المعدل بالفسفور والكبريت من امتصاص C═C ويعزز تشكيل H*، مما يمكّن الهدرجة النصفيّة للمركبات الألكينية مع انتقائية عالية وFEs عند جهد منخفض. ثم، إنشاء نقاط نانوية ذات انحناء عالٍ لتركيز الركائز لتسريع عملية الهدرجة. (ii) من خلال تقديم مواقع ذات تنسيق منخفض إلى الحديد ودمج مواقع تنسيق منخفضة وسطح فluorine لتعديل الكوبالت لتحسين امتصاص الوسطاء وتسهيل تشكيل H*، يتم الحصول على هدرجة النيترايل والدورات النيتروجينية بنشاط وانتقائية عالية. (iii) من خلال تكوين مواقع Pd المعزولة لاستدعاء امتصاص محدد σ-alkynyl لمركبات الألكين وتوجيه فراغات الكبريت من Co3S4-x لتمتص تفضيلاً -NO2، يتم تحقيق الهدرجة للمركبات الألكينية المزينة بالمجموعات القابلة للتقليل والنيتروارينات مع تفاضلية كيميائية عالية. (iv) لمشاركة التفاعلات بالغاز، من خلال تصميم طبقة انتقال الغاز الهيدروفوبية مدعومة بجزيئات نانوية صغيرة جدًا من النحاس لتعزيز انتقال الكتلة، وتحسين تفعيل H2O، ومنع تشكيل H2، وتقليل امتصاص الإيثيلين، تم تحقيق إنتاج إيثيلين بمستويات أمبير بنسبة 97.7% FE. أخيرًا، نقدم نظرة على التحديات الحالية والفرص الواعدة في هذا المجال. نعتقد أن مبادئ اختيار الأقطاب الموجزة هنا توفر نموذجًا لتصميم المواد النانوية النشطة والانتقائية للغاية لتحقيق الهدرجة الكهربائية وتحولات عضوية أخرى بأداء مثير للاهتمام.