网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

复旦大学Angew: 多硼酸盐调控电化学界面,无毒石墨电极制己二腈,选择性约90%

0
分享至



通讯作者:龚鸣

通讯单位:复旦大学

论文DOI:https://doi.org/10.1002/anie.5793589

全文速览

丙烯腈(AN)电化学二聚化制备己二腈(ADN)为尼龙-66前驱体的生产提供了一种可持续的途径,但该过程面临析氢竞争和副反应严重、传统体系依赖有毒重金属电极等问题。本研究提出一种电解液工程策略,在无毒石墨电极上实现AN的选择性二聚化制备ADN。研究发现,高浓度硼酸盐可形成多硼酸盐物种,并在石墨电极界面处构建多硼酸盐氢键网络。其中多硼酸盐不仅能有效缓冲局部pH值,抑制3-羟基丙腈(3-HPN)等副产物生成,还能促进中等氢键结合的水分子形成,这些水分子作为高效的质子供体,促进AN二聚过程中的电荷转移,从而提高ADN生成速率和选择性。在120 mA cm-2电流密度下,该体系在无毒石墨电极上实现约90%的ADN选择性和77.9%的法拉第效率。结合11B NMR、原位Raman和ATR-SEIRAS等表征,研究揭示了多硼酸盐调控界面pH及水/质子环境促进AN二聚的作用机制。本工作不仅为在碳电极上高效电合成ADN提供了一条实用途径,也凸显了电解液介导的界面工程在调控电合成高附加值产物选择性方面的关键作用。

背景介绍

己二腈(ADN)是合成尼龙-66的重要中间体,传统生产主要依赖1,3-丁二烯氢氰化的热化学路线,而丙烯腈(AN)电化学氢化二聚反应为其提供了更绿色的替代途径。然而,该反应在环境友好型电极上面临ADN选择性低的问题,因此通常采用Pb、Cd等有毒重金属阴极抑制析氢并促进AN二聚。若采用无毒碳电极,AN二聚还会与析氢及3-羟基丙腈(3-HPN)生成等副反应竞争,而传统磷酸盐、碳酸盐缓冲体系难以有效调控界面pH,进一步限制了ADN的产率和选择性。因此,如何通过调控阴极界面微环境抑制副反应、提高AN二聚选择性,是实现绿色高效ADN电合成的关键。

图文解析


图1.(a)AN非电化学水解和电化学还原反应示意图。(b)初始pH为10.5时,不同浓度的硼酸根([B(OH)4-])、碳酸根([CO32-])以及磷酸盐([HPO42-] + [PO43-])缓冲电解液中,碳阴极上的产物分布。电解条件:0.3 M AN、−1.03 V(vs. RHE)、45 ℃、900 rpm,电解2400 s。(c)不同初始pH下,1.2 M [B(OH)4-]和1.2 M [CO32-]电解液中,有无电解时 3-HPN 在碳阴极上的产率。


图2.(a)含0.3 M AN的不同浓度[B(OH)4-]电解液中的线性扫描伏安曲线,电位分别以标准氢电极(SHE)和可逆氢电极(RHE)为参比。(b)在−1.35 V(vs. SHE)下,log (jADN)与 log ([B(OH)4-]) 关系图,其中jADN代表ADN的部分电流密度,斜率对应于 [B(OH)4-]的反应级数。(c)不同浓度硼酸根电解液中ADN的产率和法拉第效率。(d)在45°C和900 rpm下电解2400 s后,2.8 M [B(OH)4-]电解液中,不同外加电位下的产物分布、AND FE和 ADN 产率。


图3.(a)0.1 M [B(OH)4-]在不同外加电位下,有无0.3 M AN时的Bode图。(b) 2.8 M [B(OH)4-]在不同外加电位下,有无0.3 M AN时的Bode图。(c) 0.1、1.2和2.8 M [B(OH)4-]电解液在−1.03 V(vs. RHE)电解2400 s前后的11B NMR谱。(d) RRDE局部pH测量示意图(上);不同[B(OH)4-]浓度下玻碳圆盘阴极局部pH随时间的变化(中);不同[B(OH)4-]浓度下玻碳圆盘阴极局部pH变化量(下)。


图4.(a)多硼酸盐调控AN电还原和AN水解的反应示意图。(b)在不同电位下,含0.3 M AN的0.1、1.2和2.8 M [B(OH)4-]电解液中Au电极上的原位Raman光谱。(c)在不同电位下,0.1、1.2和2.8 M [B(OH)4-]电解液中不同水分子的相对比例计算结果。(d)在不同电位下,含0.3 M AN的0.1、1.2和2.8 M [B(OH)4-]电解液中,石墨/Au电极上的原位ATR-SEIRAS光谱。

全文总结

本研究通过高浓度硼酸盐电解液调控阴极界面微环境,实现了无毒石墨电极上丙烯腈(AN)向己二腈(ADN)的高选择性电化学氢化二聚。研究表明,高浓度硼酸盐形成的多硼酸盐物种具有双重作用:一方面,通过动态缓冲消耗电还原过程中产生的OH-,抑制界面pH升高,从而减少AN向3-HPN的非电化学水解;另一方面,通过重构界面水的氢键网络,增加适中等氢键结合的水分子数量,为质子耦合电子转移过程提供更高效的质子供体,促进AN二聚反应。最终,该体系在工业相关电流密度下实现77.9%的ADN法拉第效率和约90%的选择性,该性能可与镉等有毒金属阴极相媲美。

尽管该体系需要使用高浓度硼酸盐电解液,增加了电解质的用量,但硼酸盐成本低廉,且电解液具有潜在的循环利用能力,因此该策略仍有望成为传统方法的替代方案,尤其是在考虑传统重金属电极毒性的情况下。本工作不仅为尼龙-66关键前驱体的绿色合成提供了一条实用途径,还表明通过有针对性地调控电解液物种分布,可进一步调节电化学双电层和界面质子活性,从而引导复杂有机电合成的反应路径和产物选择性。

版权声明

本文仅用于学术分享,转载请注明出处,如有侵权,请联系后台小编删除

【菲常新品】高通量催化剂制备反应检测系统:①全自动全流程智能化,从制备到检测一站式完成;②适配气固相非冷凝类反应(CO+H₂、合成氨等)。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
33岁凯恩首获金球奖!拜仁近45年首人 创8大纪录 一举终结3大等待

33岁凯恩首获金球奖!拜仁近45年首人 创8大纪录 一举终结3大等待

我爱英超
2026-10-27 06:59:39
三大利好突袭!刚刚,集体飙涨

三大利好突袭!刚刚,集体飙涨

证券时报
2026-10-27 09:44:21
姆巴佩到底说了些什么

姆巴佩到底说了些什么

深度财线
2026-10-27 12:30:47
塞尔维亚一夜变天!武契奇败选,三个重大信号曝光,中国要警惕了

塞尔维亚一夜变天!武契奇败选,三个重大信号曝光,中国要警惕了

麓谷隐士
2026-10-27 10:34:41
姆巴佩到底说了什么话?

姆巴佩到底说了什么话?

微微热评
2026-10-27 14:02:35
自媒体人“徽剑”疑似遇害前最后一条朋友圈曝光,发布次日即被假警察带走

自媒体人“徽剑”疑似遇害前最后一条朋友圈曝光,发布次日即被假警察带走

上游新闻
2026-10-27 13:58:40
震惊!广州餐饮老板晒聊天记录,9000多粉丝探店博主报价6800元,还要9人团队免费就餐,怒斥对方“你们吃的不烧心吗”

震惊!广州餐饮老板晒聊天记录,9000多粉丝探店博主报价6800元,还要9人团队免费就餐,怒斥对方“你们吃的不烧心吗”

火山詩话
2026-10-27 06:09:05
坏消息:中国3.4亿退休老人们面临的非常严峻问题,已经到来了

坏消息:中国3.4亿退休老人们面临的非常严峻问题,已经到来了

石辰搞笑日常
2026-10-27 04:28:33
香港15名公务员合买彩票中3000万,兑奖人企图独吞被捕,最新进展:14名同事将其告上法庭,案件详情曝光

香港15名公务员合买彩票中3000万,兑奖人企图独吞被捕,最新进展:14名同事将其告上法庭,案件详情曝光

扬子晚报
2026-10-26 22:47:02
姆巴佩不当言论事件始末

姆巴佩不当言论事件始末

干货收并购
2026-10-27 12:21:16
“徽剑案”最荒诞的问题,事到如今还不指出来吗?

“徽剑案”最荒诞的问题,事到如今还不指出来吗?

走读新生
2026-10-27 14:16:56
刘嘉玲估计头都大了,这是管不了还是假装看不见?

刘嘉玲估计头都大了,这是管不了还是假装看不见?

喜欢历史的阿繁
2026-10-27 04:28:25
金钟奖/庄凯勋泪夺视帝高喊:我是台湾演员! 3声道超暖致词感动全场

金钟奖/庄凯勋泪夺视帝高喊:我是台湾演员! 3声道超暖致词感动全场

ETtoday星光云
2026-10-26 23:51:03
姆巴佩自爆最爱换脸我国开国伟人涉辱华 蒙牛、东鹏饮料终止合作

姆巴佩自爆最爱换脸我国开国伟人涉辱华 蒙牛、东鹏饮料终止合作

环球趣闻分享
2026-10-27 14:05:12
一位博主,因拒不删稿被活活打死

一位博主,因拒不删稿被活活打死

家传编辑部
2026-10-27 14:08:29
已经没有正部级央企了

已经没有正部级央企了

抽屉读书
2026-10-27 12:03:18
美国和以色列终于意识到自己闯了多大的祸:你可以轰炸伊朗,也能打击伊朗的石油设施,但不能把斩首哈梅内伊当成结束战争的捷径。

美国和以色列终于意识到自己闯了多大的祸:你可以轰炸伊朗,也能打击伊朗的石油设施,但不能把斩首哈梅内伊当成结束战争的捷径。

回京历史梦
2026-10-24 14:45:12
网传体制内已成网贷重灾区,网友说:他们工作收入太稳定了,是网贷的优质潜在客户!

网传体制内已成网贷重灾区,网友说:他们工作收入太稳定了,是网贷的优质潜在客户!

黯泉
2026-10-27 09:41:14
国家部委工作人员张某因个人矛盾想报复同事、单位,主动投靠境外间谍情报机关,疯狂出卖重要领域国家秘密,准备叛逃时被国安机关控制

国家部委工作人员张某因个人矛盾想报复同事、单位,主动投靠境外间谍情报机关,疯狂出卖重要领域国家秘密,准备叛逃时被国安机关控制

政知新媒体
2026-10-27 08:47:40
羡慕哭了!宝马裁员8000人,离职补偿金最高达487万元!员工争着离职挤崩系统

羡慕哭了!宝马裁员8000人,离职补偿金最高达487万元!员工争着离职挤崩系统

聊斋新志
2026-10-22 19:28:15
2026-10-27 16:11:00
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

Anthropic最硬气招股书,先把丑话说在前头

头条要闻

香港15名公务员合买彩票中3000万元 兑奖人欲独吞被捕

头条要闻

香港15名公务员合买彩票中3000万元 兑奖人欲独吞被捕

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

芒果遇到厉娜和许飞笑发财了!

财经要闻

韩国芯片出口额可能下降高达1000亿美元

汽车要闻

2027款吉利缤越超能版上市,先享价5.98万元起

态度原创

教育
健康
游戏
时尚
公开课

教育要闻

应届生三方协议,签之前不看这篇会后悔

查不出猝死风险?可能是项目没做对

开发者承认《文明7》部分改动过头并着手调整

美商高的人都在研究这个?其实有捷径可走

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版