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Electrocatalytic Ammonia Oxidation by a Low-Coordinate Copper Complex

化学 脱质子化 乙腈 电化学 无机化学 催化作用 过电位 电催化剂 酰胺 氧化还原 电解 物理化学 有机化学 电极 离子 电解质
作者
Md Estak Ahmed,Mahdi Raghibi Boroujeni,Pokhraj Ghosh,Christine Greene,Subrata Kundu,Jeffery A. Bertke,Timothy H. Warren
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (46): 21136-21145 被引量:39
标识
DOI:10.1021/jacs.2c07977
摘要

Molecular catalysts for ammonia oxidation to dinitrogen represent enabling components to utilize ammonia as a fuel and/or source of hydrogen. Ammonia oxidation requires not only the breaking of multiple strong N–H bonds but also controlled N–N bond formation. We report a novel β-diketiminato copper complex [iPr2NNF6]CuI-NH3 ([CuI]-NH3 (2)) as a robust electrocatalyst for NH3 oxidation in acetonitrile under homogeneous conditions. Complex 2 operates at a moderate overpotential (η = 700 mV) with a TOFmax = 940 h–1 as determined from CV data in 1.3 M NH3–MeCN solvent. Prolonged (>5 h) controlled potential electrolysis (CPE) reveals the stability and robustness of the catalyst under electrocatalytic conditions. Detailed mechanistic investigations indicate that electrochemical oxidation of [CuI]-NH3 forms {[CuII]-NH3}+ (4), which undergoes deprotonation by excess NH3 to form reactive copper(II)–amide ([CuII]-NH2, 6) unstable toward N–N bond formation to give the dinuclear hydrazine complex [CuI]2(μ-N2H4). Electrochemical studies reveal that the diammine complex [CuI](NH3)2 (7) forms at high ammonia concentration as part of the {[CuII](NH3)2}+/[CuI](NH3)2 redox couple that is electrocatalytically inactive. DFT analysis reveals a much higher thermodynamic barrier for deprotonation of the four-coordinate {[CuII](NH3)2}+ (8) by NH3 to give the copper(II) amide [CuII](NH2)(NH3) (9) (ΔG = 31.7 kcal/mol) as compared to deprotonation of the three-coordinate {[CuII]-NH3}+ by NH3 to provide the reactive three-coordinate parent amide [CuII]-NH2 (ΔG = 18.1 kcal/mol) susceptible to N–N coupling to form [CuI]2(μ-N2H4) (ΔG = −11.8 kcal/mol).
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