อิเล็กโทรคัตตาไลซิสแสดงถึงประเภทเฉพาะของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาซึ่งกระแสไฟฟ้าทําให้เกิดปฏิกิริยาเคมี ปรากฏการณ์นี้มักเกิดขึ้นที่พื้นผิวของอิเล็กโทรดซึ่งมีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ซึ่งจะช่วยเพิ่มจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาและลดอุปสรรคพลังงานอุณหพลศาสตร์ที่ต้องเอาชนะเพื่อให้ปฏิกิริยาดําเนินต่อไป
ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเปลี่ยนพลังงานกระตุ้นที่จําเป็นสําหรับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีไฟฟ้าทําให้มีขอบเขตปฏิกิริยาที่กว้างขึ้นและคัดเลือกได้มากขึ้นผ่านเส้นทางปฏิกิริยาที่เป็นนวัตกรรมใหม่
เอกสารไวท์เปเปอร์นี้นําเสนอตัวอย่างจากงานวิจัยที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าข้อมูลเชิงลึกและการควบคุมที่แม่นยําจากเทคโนโลยีของ METTLER TOLEDO ช่วยสนับสนุนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและยั่งยืนในหัวข้อสี่หัวข้อ:
เคมีไฟฟ้าและตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้ามีความสําคัญในเคมีอินทรีย์ด้วยเหตุผลหลายประการที่เชื่อมโยงถึงกัน คอมเพล็กซ์โลหะทรานซิชันที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าช่วยอํานวยความสะดวกในการสร้างเส้นทางกลไกและตัวกลางใหม่ทําให้สามารถเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่มักท้าทายหรือไม่สามารถทําได้ด้วยกลยุทธ์การสังเคราะห์แบบเดิม นักวิจัยสามารถบรรลุการคัดเลือกสูงในขณะที่ลดการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ข้างเคียงให้เหลือน้อยที่สุด
การเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สําคัญ เช่น การทําพันธะ C-H ปฏิกิริยาข้ามข้อต่อ และกระบวนการออกซิเดชันและรีดิวซ์ นอกจากนี้ การใช้อิเล็กตรอนเพื่อ ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงทางเคมีภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงแทนที่จะพึ่งพาสารเคมีที่เป็นอันตราย เป็นพิษ หรือมีพลังงานสูงนั้นสอดคล้องกับหลักการของเคมีสีเขียว
การเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้ายังมีบทบาทสําคัญในการแสวงหาการผลิตพลังงานสะอาดทั่วโลก เทคโนโลยีพลังงานที่ยั่งยืน เช่น เซลล์เชื้อเพลิงอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าในการลดออกซิเจน วิวัฒนาการของออกซิเจน และปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าขั้นสูงโดยใช้โลหะที่อุดมสมบูรณ์ในโลก เช่น เหล็กและนิกเกิล ตลอดจนตัวเร่งปฏิกิริยาจากคาร์บอน เช่น กราฟีน มีความคืบหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยเพิ่มศักยภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าในการใช้งานด้านพลังงาน
การเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าอาจเป็นเนื้อเดียวกันหรือ ต่างกัน การเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่เป็นเนื้อเดียวกันใช้ตัวควบคุมรีดอกซ์ทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นสารเคมีอินทรีย์เฉพาะหรือโลหะเชิงซ้อน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ในทางตรงกันข้ามการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่แตกต่างกันเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวอิเล็กโทรดทําหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งอํานวยความสะดวกในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังสารตั้งต้น ความแตกต่างที่สําคัญระหว่างอิเล็กโทรคัตตาไลซิสที่แตกต่างกันและเป็นเนื้อเดียวกันอยู่ในความสัมพันธ์ของเฟสของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สัมพันธ์กับสารตั้งต้นและอิเล็กโทรไลต์
เทคนิคสเปกโตรสโกปีเช่น Raman และ FTIR ถูกนํามาใช้ในการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าเพื่อตรวจสอบกระบวนการแบบไดนามิกและชี้แจงกลไกของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีช่วยเพิ่มการออกแบบและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา
ReactIR™ ให้ข้อมูลแนวโน้มปฏิกิริยาแบบเรียลไทม์สําหรับสารตั้งต้น รีเอเจนต์ ตัวกลาง ผลิตภัณฑ์ และผลพลอยได้เมื่อปฏิกิริยาดําเนินไป สิ่งนี้สร้างข้อมูลที่แม่นยําเกี่ยวกับจลนศาสตร์กลไกเส้นทางวัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยาและอิทธิพลของตัวแปรปฏิกิริยาต่อประสิทธิภาพ โพรบแช่ที่เชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกและเซลล์การไหลแบบอินไลน์ให้ความยืดหยุ่นในการตรวจสอบเคมีในเฟสสารละลายโดยตรงในภาชนะปฏิกิริยาหรือระบบการไหลแบบต่อเนื่อง
สเปกโทรสโกปี FTIR ในแหล่งกําเนิด/ปฏิบัติการติดตามและวิเคราะห์เคมีอิเล็กโทรคะตาไลติกแบบเรียลไทม์ภายในภาชนะปฏิกิริยาเซลล์อิเล็กโทรไลต์หรือผ่านการตรวจสอบแบบอินไลน์ของเซลล์โฟลว์การสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้า เทคนิคนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถสังเกตได้ว่าปัจจัยต่างๆ เช่น การปรับแต่งศักย์ไฟฟ้า ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ และองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์อย่างไรโดยการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมอินฟราเรดของสารละลายปฏิกิริยา FTIR spectroscopy ช่วยให้สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของวัสดุเริ่มต้นและผลิตภัณฑ์และตัวกลางที่สําคัญที่เกิดจากกระบวนการอิเล็กโทรฟอกะไอเทอรี ข้อมูล ที่ได้รับมักจะให้ข้อมูลเชิงลึกที่ไม่มีใครเทียบได้เกี่ยวกับจลนพลศาสตร์และกลไกของปฏิกิริยาและความเข้าใจที่สมบูรณ์เกี่ยวกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสถานะตัวเร่งปฏิกิริยาวัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยาความสัมพันธ์ของโครงสร้างและกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาและการย่อยสลายตัวเร่งปฏิกิริยา
สเปกโตรมิเตอร์ ReactRaman™ ขนาดกะทัดรัดประสิทธิภาพสูงได้รับการปรับให้เหมาะสมสําหรับการใช้งานในแหล่งกําเนิดผ่านอินเทอร์เฟซการสุ่มตัวอย่างที่เชื่อมต่อด้วยไฟเบอร์ออปติก รวมถึงโพรบแช่ โฟลว์เซลล์แบบอินไลน์ และโพรบวิเคราะห์แบบไม่สัมผัส ซอฟต์แวร์ iC Raman™ ที่ครอบคลุมและใช้งานง่ายให้ข้อมูลและข้อมูลปฏิกิริยาคุณภาพสูงผ่านการวิเคราะห์แนวโน้มปฏิกิริยาแบบเรียลไทม์
In-situ/operando Raman spectroscopy เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการตรวจสอบปฏิกิริยาอิเล็กโทรคะตาไลติก ซึ่งมีข้อได้เปรียบที่คล้ายคลึงกันมากมายกับ FTIR สําหรับการติดตามและกําหนดลักษณะของสายพันธุ์ปฏิกิริยาอิเล็กโทรฟอกะแบบเรียลไทม์ รามันสเปกโทรสโกปีเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการวิเคราะห์การสังเคราะห์ที่ดําเนินการในสื่อที่เป็นน้ํา รา มันสเปกโทรสโกปียังยอดเยี่ยมในการตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิว และส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์อิเล็กโทรด และระบุสายพันธุ์โมเลกุลที่ผูกติดกับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งสามารถเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกพื้นฐานในการเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า
Wang, Y., Yu, J., Wang, Y., Chen, Z., Dong, L., Cai, R., Hong, M., Long, X., & Yang, S. (2020). การสังเคราะห์เทมเพลตในแหล่งกําเนิดของตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า Ni–Fe mesoporous สําหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน ความก้าวหน้าของ RSC, 10(39), 23321–23330. https://doi.org/10.1039/d0ra03111a
เพื่อสนับสนุนการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า ReactRaman ให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการยึดติดภายในและที่พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า Ni–Fe ที่มีรูพรุน
ผู้เขียนแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความสําคัญของการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าสําหรับใช้ในปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจน (OER) ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเหล่านี้ต้องมีลักษณะประสิทธิภาพที่สําคัญเฉพาะ เช่น ไซต์ที่ใช้งานอยู่ซึ่งมีการกระจายอย่างสม่ําเสมอและพร้อมใช้งานทั่วพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาในขณะที่คุ้มค่าและยั่งยืน พวกเขาได้วิจัยและพัฒนาวิธีการเตรียมกรอบซิลิกาฟูเมด (MFS) ที่มีเมโสพอร์ซึ่งกระจาย Ni²⁺ และ Fe³⁺ โดยใช้วิธีการที่ตรงไปตรงมา วิธีนี้ใช้ MFS ที่มีจําหน่ายทั่วไปเป็นตัวรองรับ 3 มิติเพื่อยึดไอออนโลหะ โดยการแกะสลักโครงสร้างที่ชุบโลหะ MFS ด้วย KOH ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า Ni-Fe-O ที่เกิดขึ้นมีลักษณะสําคัญสําหรับ OER เช่น ความสามารถในการถ่ายเทประจุที่ดี
ชุดตัวเร่งปฏิกิริยา NiFe-MFS ถูกสังเคราะห์ด้วยอัตราส่วนโมลที่แตกต่างกันของสารละลายเมทัลไอออน มีการใช้เทคนิคหลายชุดเพื่อพัฒนาความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเหล่านี้ ซึ่งรวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านเพื่อตรวจสอบโครงสร้างนาโน รังสีเอกซ์กระจายพลังงานเพื่อทําแผนที่การกระจายของธาตุ Ni, Fe, Si และ O และการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เพื่อวิเคราะห์ความเป็นผลึกของตัวอย่าง สัณฐานวิทยาได้รับการศึกษาโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราญการปล่อย เอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปีวิเคราะห์พลังงานจับขององค์ประกอบและการวิเคราะห์ธาตุดําเนินการโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์การปล่อยปลดปล่อยพลาสมาอะตอมแบบเหนี่ยวนํา พื้นที่ผิวและความพรุนของโครงสร้างได้รับการตรวจสอบโดยใช้การวัดการดูดซับ-การดูดซับก๊าซไนโตรเจน
พันธะของโลหะ Ni/Fe กับตัวรองรับซิลิกาที่มีควันได้รับการวิเคราะห์และตรวจสอบด้วยสเปกโทรสโกปี ReactRaman สําหรับ MFS ที่ไม่ได้เจือปน จะสังเกตเห็นแถบที่ 345–450, 575, 750, 973 และ 1070 ซม.⁻¹ ซึ่งเกิดจากชุดของพันธะการสั่นสะเทือน Si−O−Si และ Si−OH สําหรับตัวอย่างที่ชุบด้วยปริมาณธาตุเหล็กสูง จะสังเกตเห็นแถบที่ 332, 495 และ 1163 ซม.⁻¹ ที่เกิดจากการดัด O–Fe–O การดัด Fe–O–Si และการยืดแบบไม่สมมาตรของ Fe–O–Si ตามลําดับ การสังเกตเหล่านี้บ่งชี้ว่าเหล็กถูกรวมเข้ากับตาข่ายซิลิกาอย่างมีประสิทธิภาพ ในทางตรงกันข้ามเมื่อนิกเกิลถูกชุบลงในซิลิกาที่มีควันแถบยืด Si-OH พื้นผิว 973 ซม. ⁻¹ จะอ่อนลงอย่างมีนัยสําคัญและไม่พบแถบเพิ่มเติม การประเมินการวัดโฟโตอิเล็กตรอนของรังสีเอกซ์และรามันนําไปสู่ข้อสรุปที่ว่า ในขณะที่ Fe³⁺ ชอบที่จะแทรกเข้าไปในกรอบของซิลิกาที่มีควันและสร้างพันธะ Fe–O–Si Ni²⁺ จับโควาเลนต์กับกลุ่ม Si-OH บนพื้นผิวซิลิกาที่มีควัน
มีการศึกษาการวิเคราะห์ด้วยไฟฟ้าหลายชุดที่แสดงให้เห็นถึงความสําคัญของอัตราส่วนไอออนของโลหะต่อประสิทธิภาพ และการยึดเกาะของ Ni และ Fe ในปริมาณที่เหมาะสมนําไปสู่ประสิทธิภาพ OER ที่เหมาะสมและจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาที่ดีขึ้น ตัวอย่าง 1Ni1Fe-MFS แสดงให้เห็นถึงกิจกรรมที่แท้จริงของ OER สูงสุด ในขณะที่ตัวเร่งปฏิกิริยา 2Ni1Fe-MFS มีความจุสองชั้นที่ใหญ่กว่าและพื้นที่ผิวที่ใช้งานทางเคมีไฟฟ้า มีการตรวจสอบสเปกโตรสโกปีหลายชุดเพื่อกําหนดการเปลี่ยนแปลงของตัวเร่งปฏิกิริยาหลัง OER พวกเขาแสดงให้เห็นว่าต่อหน้า KOH Si ถูกแกะสลัก เผยให้เห็นองค์ประกอบ Ni และ Fe ซึ่งเป็นศูนย์ที่ใช้งานอยู่ของ OER งานเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าแม้หลังจากใช้งานไฟฟ้าในระยะยาวตัวเร่งปฏิกิริยา 2Ni1Fe-MFS ยังคงมีประสิทธิภาพสูงและเสถียรในระหว่างกระบวนการ OER เมื่อเปรียบเทียบการทดสอบกับอิเล็กโทรด IrO₂ และ RuO₂
Sauermann, N., Mei, R. และ Ackermann, L. (2018). อะมิเนชั่น C−H ทางเคมีไฟฟ้าโดยการเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์ในตัวทําละลายหมุนเวียน Angewandte Chemie ฉบับนานาชาติ, 57(18), 5090–5094. https://doi.org/10.1002/anie.201802206
ReactIR ให้ข้อมูลจลนศาสตร์และกลไกสําหรับวัฏจักรอิเล็กโทรคะตาไลติก C-H amination ที่เสนอ
ผู้เขียนแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับความสําคัญในวงกว้างของเอมีนทดแทนและวิธีการต่างๆ ในการสังเคราะห์สารประกอบหลักเหล่านี้ ซึ่งรวมถึง ปฏิกิริยาครอสคัปปล์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลเลเดียมหรืออะมิเนชั่นโดยตรงของพันธะ C-H ที่เสถียร ซึ่งไม่จําเป็นต้องใช้อะริลฮาไลด์ ในกรณีหลังนี้จําเป็นต้องมีเกลือทองแดง (II) หรือเงิน (I) ในปริมาณปริมาณสัมพันธ์และสิ่งเหล่านี้สามารถนําไปสู่การก่อตัวของผลพลอยได้ที่มีโลหะที่ไม่พึงประสงค์ ในทางตรงกันข้าม งานที่นําเสนอโดยทีมนี้ใช้ไฟฟ้าเป็นวิธีการที่ยั่งยืนและราคาไม่แพงเพื่อให้ได้อะมิเนชั่นที่เปิดใช้งาน C−H งานของพวกเขารวมถึงการใช้ ตัวทําละลายหมุนเวียนสําหรับการทํางาน C-H และอะมิไนชั่น C-H เคมีไฟฟ้าที่เร่งปฏิกิริยาด้วยโคบอลต์ที่มีการคัดเลือกสูง ความพยายามอย่างมากในการเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า รวมถึงการระบุเกลือโคบอลต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพ และตัวทําละลายหมุนเวียนที่ได้มาจากชีวมวล g-valerolactone ที่ใช้เป็นตัวทําละลายปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังพบว่าการมีส่วนผสมทางเคมีไฟฟ้าจําเป็นต้องมีคาร์บอกซิเลต และโพแทสเซียมอะซิเตทถูกระบุว่าเป็นสารเติมแต่งที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด
