Unexpected Solvent Effect in Electrocatalytic CO2 to CO Conversion Revealed Using Asymmetric Metalloporphyrins

化学 催化作用 溶剂 乙腈 卟啉 电化学 一氧化碳 苯酚 电催化剂 二甲基甲酰胺 金属 光化学 无机化学 有机化学 物理化学 电极
作者
Soumalya Sinha,Jeffrey J. Warren
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:57 (20): 12650-12656 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.8b01814
摘要

Rapid and efficient electrochemical CO2 reduction is an ongoing challenge for the production of sustainable fuels and chemicals. In this work, electrochemical CO2 reduction is investigated using metalloporphyrin catalysts (metal = Mn, Fe, Co, Ni, Cu) that feature one hydroxyphenyl group, and three other phenyl groups, in the porphyrin heterocycle (5-(2-hydroxyphenyl)-10,15,20-triphenylporphyrin, TPOH). These complexes, which are minimal versions of related complexes bearing up to eight proton relays, were designed to allow more straightforward determination of the role of the 2-hydroxylphenyl functional group. The iron-substituted version of TPOH supports robust reduction of CO2 in acetonitrile solvent, where carbon monoxide is the only detected product. Addition of weak Brønsted acids (1 M water or 8 mM phenol) gives rise to almost 100-fold enhancement in turnover frequency. Surprisingly, the iron analogue is a poor catalyst when the solvent is changed to dimethylformamide. These results lead to the proposal of a model where the hydroxyphenyl group behaves as a local proton source, a hydrogen bond donor to CO2-bound intermediates, and a hydrogen bonding partner to Brønsted acids. The observations from this model suggest improvements for existing electrocatalytic CO2 reduction systems.
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