Operando film-electrochemical EPR spectroscopy tracks radical intermediates in surface-immobilized catalysts

化学 电子顺磁共振 电化学 催化作用 光化学 光谱学 化学工程 纳米技术 有机化学 物理化学 电极 核磁共振 物理 工程类 量子力学 材料科学
作者
Maryam Seif-Eddine,Samuel J. Cobb,Yunfei Dang,Kaltum Abdiaziz,Mark A. Bajada,Erwin Reisner,Maxie M. Roessler
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:16 (6): 1015-1023 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41557-024-01450-y
摘要

The development of surface-immobilized molecular redox catalysts is an emerging research field with promising applications in sustainable chemistry. In electrocatalysis, paramagnetic species are often key intermediates in the mechanistic cycle but are inherently difficult to detect and follow by conventional in situ techniques. We report a new method, operando film-electrochemical electron paramagnetic resonance spectroscopy (FE-EPR), which enables mechanistic studies of surface-immobilized electrocatalysts. This technique enables radicals formed during redox reactions to be followed in real time under flow conditions, at room temperature and in aqueous solution. Detailed insight into surface-immobilized catalysts, as exemplified here through alcohol oxidation catalysis by a surface-immobilized nitroxide, is possible by detecting active-site paramagnetic species sensitively and quantitatively operando, thereby enabling resolution of the reaction kinetics. Our finding that the surface electron-transfer rate, which is of the same order of magnitude as the rate of catalysis (accessible from operando FE-EPR), limits catalytic efficiency has implications for the future design of better surface-immobilized catalysts.
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