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研究背景
氫化和氧化是合成細(xì)化和大宗化學(xué)品中最常用的轉(zhuǎn)化方法，但這些過程通常在高壓氫氣和氧氣、高溫條件下進(jìn)行，帶來安全、環(huán)境和能源效率方面的問題。特別是，通過蒸汽重整甲烷產(chǎn)生的氫氣會(huì)釋放大量二氧化碳，而氧氣的傳統(tǒng)生產(chǎn)過程則需要極低溫度和高壓。此外，這些氣體的儲(chǔ)存和運(yùn)輸既耗時(shí)又費(fèi)力。雖然開發(fā)了其他有機(jī)和無機(jī)還原劑及氧化劑，但它們的使用同樣帶來了安全和成本問題，并產(chǎn)生化學(xué)廢物。為此，全球的科學(xué)家們開始尋求可持續(xù)的、高效的技術(shù)，使用綠色且易于獲取的試劑來實(shí)現(xiàn)氫化和氧化反應(yīng)。在這一背景下，利用可再生電力驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，提供了一種強(qiáng)大的途徑。電化學(xué)技術(shù)利用“干凈”的電子作為氧化還原試劑，在室溫條件下通過水分解直接生成活性氫和氧物種，避免了額外的氫化劑和氧化劑，提供了一種比熱化學(xué)過程更溫和、更綠色的替代方案。鑒于此，天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系張兵教授團(tuán)隊(duì)在Nature Reviews Chemistry期刊發(fā)表“Electrochemical hydrogenation and oxidation of organic species involving water”的研究綜述。本研究集中于水參與的電化學(xué)氫化和氧化反應(yīng)（EHORs），特別是在中性和堿性電解質(zhì)中進(jìn)行的反應(yīng)，利用異質(zhì)電極實(shí)現(xiàn)有機(jī)分子的轉(zhuǎn)化。通過對(duì)不同反應(yīng)物使用的電極類型、評(píng)估電化學(xué)性能的指標(biāo)、材料和有機(jī)物種的表征技術(shù)、以及氫化和氧化反應(yīng)的過程進(jìn)行介紹，本研究為實(shí)現(xiàn)高性能EHORs提供了一般性知識(shí)。此外，通過分析反應(yīng)過程來設(shè)計(jì)電催化劑和控制反應(yīng)微環(huán)境，解決了如何提高反應(yīng)性能的問題。通過整合氫化和氧化反應(yīng)的方法，進(jìn)一步擴(kuò)展了EHORs的應(yīng)用范圍，為未來的研究提供了新的方向和挑戰(zhàn)。
科學(xué)貢獻(xiàn)
本文的科學(xué)貢獻(xiàn)可以總結(jié)如下：1. 水參與的有機(jī)分子的EHORs研究:本文重點(diǎn)關(guān)注了水作為溶劑、氫源和氧源參與的有機(jī)分子的電化學(xué)反應(yīng)。這種基于水的電化學(xué)轉(zhuǎn)化在綠色、溫和和高效的條件下實(shí)現(xiàn)了有機(jī)分子的氫化和氧化，具有巨大的應(yīng)用潛力。2. 異質(zhì)電極的催化活性研究:文中介紹了不同類型的異質(zhì)電極，如氣體擴(kuò)散電極和鈀膜電極，以提高電化學(xué)反應(yīng)的效率。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化的電極材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)分子的高效轉(zhuǎn)化，為EHORs的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。3. H加成和PCET過程的研究:在氫化反應(yīng)中，涉及H加成和Proton-Coupled Electron Transfer (PCET) 過程。本文通過深入探討這兩個(gè)過程，揭示了催化機(jī)理的細(xì)節(jié)，為設(shè)計(jì)高效的催化劑提供了理論基礎(chǔ)。4. 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的匹配和EHORs的設(shè)計(jì):本文介紹了匹配反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要性，并提出了不同的配對(duì)反應(yīng)模式。通過實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電極上的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)匹配，提高了電化學(xué)轉(zhuǎn)化的效率和速率，為EHORs的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。5. 微環(huán)境調(diào)控的研究:文中探討了界面微環(huán)境對(duì)電化學(xué)性能的影響，并提出了通過調(diào)控微環(huán)境來提高反應(yīng)效率的策略。這為設(shè)計(jì)具有高活性和選擇性的電化學(xué)反應(yīng)提供了新思路。6. 未來發(fā)展方向的探討:本文對(duì)未來研究方向進(jìn)行了展望，包括加強(qiáng)反應(yīng)機(jī)理研究、拓展EHORs的應(yīng)用范圍、提高反應(yīng)效率和穩(wěn)定性等。這些展望為進(jìn)一步推動(dòng)EHORs技術(shù)的發(fā)展提供了重要的指導(dǎo)。圖1：由可再生能源驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)如何將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為更有價(jià)值的化學(xué)品的概述。圖2：電極、性能指標(biāo)和表征技術(shù)。圖3：電化學(xué)氫化反應(yīng)（EHRs）和電化學(xué)氧化反應(yīng)（EORs）的一般過程。圖4：調(diào)節(jié)電化學(xué)氫化反應(yīng)（EHRs）選擇性的電催化劑設(shè)計(jì)。圖5：調(diào)節(jié)電化學(xué)氧化反應(yīng)選擇性的電催化劑設(shè)計(jì)。圖6：調(diào)節(jié)電化學(xué)氫化和氧化反應(yīng)性能的界面微環(huán)境。圖7：配對(duì)的電化學(xué)氫化和氧化反應(yīng)（EHORs）。
科學(xué)啟迪
本文探索水參與的電化學(xué)反應(yīng)（EHORs）在有機(jī)分子轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過利用水作為氫源和氧化劑，在中性和堿性電解質(zhì)條件下，結(jié)合異質(zhì)電極實(shí)現(xiàn)有機(jī)分子的氫化和氧化反應(yīng)，是一項(xiàng)具有重要意義的研究方向。這種方法可以避免傳統(tǒng)的高能耗、高壓力、高溫度的化石燃料驅(qū)動(dòng)的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程所帶來的安全和環(huán)境問題。同時(shí)，這一技術(shù)可以利用可再生能源驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)碳中和的有機(jī)合成過程，為可持續(xù)發(fā)展提供了一種重要途徑。此外，通過對(duì)電極材料、反應(yīng)過程和微環(huán)境的深入研究，我們可以更好地理解EHORs的機(jī)理，設(shè)計(jì)高效的電催化劑，并優(yōu)化反應(yīng)條件，以實(shí)現(xiàn)更高的選擇性和產(chǎn)率。同時(shí)，通過配對(duì)EHORs，我們可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)在兩個(gè)電極上合成價(jià)值更高的產(chǎn)物，從而拓展了有機(jī)合成的可能性。最后，本文強(qiáng)調(diào)了在EHORs領(lǐng)域尚存在的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展方向，如對(duì)催化劑的進(jìn)一步優(yōu)化、對(duì)微環(huán)境的深入理解以及與其他化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的集成等。這些挑戰(zhàn)提供了未來研究的方向，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化學(xué)合成提供了新的思路和可能性。因此，本文為利用水參與的電化學(xué)反應(yīng)在有機(jī)合成領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的科學(xué)啟示，為未來的研究和技術(shù)發(fā)展指明了方向。Liu, C., Chen, F., Zhao, BH. et al. Electrochemical hydrogenation and oxidation of organic species involving water. Nat Rev Chem (2024). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00589-z
