南科大王阳刚催化静态模仿JACS Au:Pt/TiO2催化醛基加氢中的长程氢转移机制

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第一作者:曹伟


通讯作者:王阳刚,夏广杰  通讯单元:北方科技大学

配景介绍

生物质的晋级与使用是比年来开展绿色催化极具远景的偏向,醛基(RCHO)加氢是此中紧张的反响。少量生物质催化实行是在水相情况中使用氧化物负载的金属催化剂完成的。
实行标明,可复原性的金属氧化物载体(TiO2,CeO2等)外表每每存在氧空穴,这会与其负载的金属催化剂发生强金属-载体互相作用,影响催化剂的电子布局性子。
别的,水相情况也可以经过构成氢键网络等机制对催化反响发生影响。但鉴于液相情况下表征的难,相干反响机理仍不明白。
因而,静态实际模仿关于实践水相情况中负载型金属催化剂醛基加氢的反响机理展现显得尤为紧张。

本文亮点

在本事情中,作者构建了显式水情况中的>### style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2,>### style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2-x催化剂模子,并选择甲醛(CH2O)作为模子反响物用于模仿醛基加氢反响。
联合密度泛函实际盘算和分子动力学模仿,作者提出了醛基氢化中的长程氢转移机制。
溶剂水分子可以经过酸/碱互换自觉地质子化醛基中的O,并经过长程质子转移,在金属-载体界面发生OH两头体;而氧空穴的存在,则使得界面OH两头体的进一步氢化从热力学和动力学上变得无效,完成了协同催化加氢作用。
该事情的实际后果标明,实践生物质催化转化反响每每非常庞大,即便关于云云复杂的模子反响,其催化循环历程也大概遭到系统中一切催化组分的影响,即与水情况,氧化物载体,金属催化剂都间接相干。
该研讨后果可以肯定水平上引导生物质催化反响的催化剂感性设计以及催化反响条件的选择。

图文简析

1图1. 差别系统AIMD历程中催化剂构型以及电荷随工夫的变革
经过重新算分子动力学模仿(AIMD)盘算以及Bader电荷剖析(图1),不含氧空穴的TiO2负载的Pt催化剂带正电,而外表存在氧空穴的TiO2-x负载的Pt催化剂则带负电,阐明金属氧化物外表氧空穴可以定性地改动其负载金属的电荷性子。
别的,溶剂情况可以加强这种互相作用,使得金属团簇带电荷变得更负,该历程中电荷通报经过H2O-Pt键静态吸附完成。
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图2. 醛基加氢历程中水情况到场的质子互换以及长程质子转移历程
经过重新算分子动力学模仿(图2)发明,水分子可以自觉地到场醛基加氢。水分子可以经过酸/碱互换质子化醛基中的O,并经过长程质子转移,在金属-载体界面发生OH两头体。
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图3. 液相中醛基加氢反响的自在能途径图
液相系统中醛基加氢一切大概基元步调的自在能能垒(ΔGa),自在能能变(ΔGr)(图3)。
发明有水分子到场的醛基加氢基元步调比由氢气解离天生的H*加氢基元步调在热力学和动力学上都愈加有上风。这阐明了水溶剂情况关于醛基加氢反响的促进作用。
别的,在>### style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2催化剂外表,由于H*和OH*联合天生水分子历程自在能能垒高且为吸热历程,使得在界面的OH*偏向于毒化催化剂。
而在>### style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2-x催化剂外表该基元反响能垒低且放热,阐明外表氧清闲可以避免OH*对催化剂的毒化,对有水分子到场的催化循环途径有协同促进作用。
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图4. 水相下,溶剂水分子与氧空穴协同催化醛基加氢的机理表示图
最初,图4阐释了溶剂水分子与氧空穴再醛基加氢的协同催化作用机制。在甲醛氢化历程中,水分子可以经过酸/碱互换自觉地质子化醛基中的O,并经过长程质子转移,在金属-载体界面发生OH两头体。
而氧空穴的存在则可进一步完成OH两头体的氢化,完成催化循环,避免了催化剂中毒。一样平常意义上,这项事情标明了构建实践条件下催化模子的紧张性。
水相中的催化反响不但是与金属簇或纳米粒子的外表有关;即便关于最复杂的催化加氢反响(CH2O+H2→ CH3OH),其机理也大概与一切的催化组分(金属催化剂、氧化物载体和溶剂情况)有关。
思索到氧空穴大概广泛存在于可复原氧化物载体以及催化历程每每处于湿情况,氧空地和溶剂水分子之间的协同效应大概不但限于Pt/TiO2催化剂,本文提出的机理大概为生物质转化和晋级的负载型金属催化剂的公道设计提供引导。

原文信息及链接

Wei Cao, Guang-Jie Xia* Zhen Yao, Ke-Han Zeng, Ying Qiao, and Yang-Gang Wang* Aldehyde Hydrogenation by Pt/TiO2 Catalyst in Aqueous Phase: Synergistic Effect of Oxygen Vacancy and Solvent Water, JACS Au
https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00560




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