Ein Durchbruch bei der Elektrooxidation von Propylen

31. Mai 2023

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von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Geng Zhigang von der University of Science and Technology of China (USTC) hat einen molekularen Katalysator entwickelt, der eine dynamisch reversible Umwandlung für die Elektrooxidation von Propylen in 1,2-Propylenglykol eingehen kann. Diese Arbeit wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

1,2-Propylenglykol (PG) ist ein wichtiger chemischer Stoff. Die traditionelle Herstellung von PG umfasst die Oxidation von Propylen zu Propylenoxid und die Hydrolyse von Propylenoxid zu PG. Bei diesem Verfahren wird stark umweltschädliches Chlor als Oxidationsmittel verwendet und die Hydrolyse von Propylenoxid erfordert hohe Temperaturen oder saure Bedingungen.

Im Gegensatz dazu vereinfacht die einstufige Elektrooxidation von Propylen zu 1,2-Propandiol nicht nur den Produktionsprozess, sondern vermeidet durch die Verwendung von Wasser als Sauerstoffquelle auch den Einsatz von Chlorgas, wodurch die Umweltverschmutzung und die Energiekosten reduziert werden.

Bei der Elektrooxidation von Propylen zu PG sind die Erzeugung von *OH und die Kopplung von *OH und Propylen zwei Schlüsselschritte. Die starke Adsorption des Katalysators an *OH begünstigt die Dissoziation von H2O in *OH, während die schwache Adsorption die Kupplung von *OH und Propylen begünstigt. Ein solcher Prozess führt zu einem skalierenden Verhältnis der Bindungsenergie von *OH über Katalysatoren, was die katalytische Leistung für die Elektrooxidation von Propylen stark einschränkt.

Die Forscher entwarfen einen molekularen Ag-Pyrazol-Katalysator (AgPz) mit einer dynamisch reversiblen Interkonversionsstruktur. Aufgrund der Wasserstoffbindung zwischen pyrrolischem NH und *OH weist AgPz mit einer pyrrolischen NH-Struktur eine starke Adsorption an *OH auf, was die Dissoziation von Wasser unter Bildung von *OH fördert. Die pyrrolische NH-Struktur neigt zur Deprotonierung, wodurch H-Leerstellen entstehen und Wasserstoffbrückenbindungen verloren gehen. AgPz mit H-Leerstellenstrukturen weisen eine schwächere Adsorption an *OH auf, was wiederum die Kopplung von *OH und Propylen beschleunigt.

Anschließend rekombiniert die H-Leerstelle mit Wasserstoff und bildet AgPz mit einer pyrrolischen NH-Struktur. Die dynamische gegenseitige Umwandlung führt zu einer veränderlichen Bindungsenergie von *OH gegenüber AgPz, wodurch die Skalierungsbeziehung aufgehoben und die Elektrooxidation von Propylen effektiv verstärkt wird.

Die Leistungsbewertung ergab, dass bei einem Arbeitspotential von 2,0 V gegenüber der Ag/AgCl-Elektrode die Ausbeute an PG unter Verwendung von AgPz als Katalysator 288,9 mmol gcat-1 h-1 erreichte, was mehr als eine Größenordnung höher ist als die bisher höchste Rate .

Mehr Informationen: Jingwen Ke et al, Dynamically Reversible Interconversion of Molecular Catalysts for Efficient Electrooxidation of Propylene into Propylene Glycol, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c00660

Zeitschrifteninformationen:Zeitschrift der American Chemical Society

Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China