Elucidation of the Electrocatalytic Nitrite Reduction Mechanism by Bio-Inspired Copper Complexes

化学 亚硝酸盐 催化作用 质子化 亚硝酸 无机化学 电化学 亚硝酸盐还原酶 电子转移 电催化剂 选择性催化还原 催化循环 反应机理 水溶液 组合化学 光化学 有机化学 硝酸盐 电极 离子 物理化学
作者
Phebe H. van Langevelde,Silène Engbers,Francesco Buda,Dennis G. H. Hetterscheid
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (15): 10094-10103 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c01989
摘要

Mononuclear copper complexes relevant to the active site of copper nitrite reductases (CuNiRs) are known to be catalytically active for the reduction of nitrite. Yet, their catalytic mechanism has thus far not been resolved. Here, we provide a complete description of the electrocatalytic nitrite reduction mechanism of a bio-inspired CuNiR catalyst Cu(tmpa) (tmpa = tris(2-pyridylmethyl)amine) in aqueous solution. Through a combination of electrochemical studies, reaction kinetics, and density functional theory (DFT) computations, we show that the protonation steps take place in a stepwise manner and are decoupled from electron transfer. The rate-determining step is a general acid-catalyzed protonation of a copper-ligated nitrous acid (HNO2) species. In view of the growing urge to convert nitrogen-containing compounds, this work provides principal reaction parameters for efficient electrochemical nitrite reduction. This contributes to the investigation and development of nitrite reduction catalysts, which is crucial to restore the biogeochemical nitrogen cycle.
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