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Molecular Models of Layered Ternary Cu2MoS4 Reveal Sulfur-Based H2 Evolution Pathway

化学 三元运算 硫黄 结晶学 有机化学 计算机科学 程序设计语言
作者
Lauren T. Feden,Shatha Alabbad,Manuraj Kallumkal,Jan-Niklas Boyn,Gwendolyn A. Bailey
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (40): 36686-36696
标识
DOI:10.1021/jacs.5c12079
摘要

Highly crystalline ternary copper-molybdenum sulfide (Cu2MoS4) has been demonstrated to promote the electro/photocatalytic hydrogen evolution reaction (HER). Theoretical calculations have suggested that Cu2MoS4 outperforms molybdenum disulfide (MoS2) because of its more moderate free energy of hydrogen adsorption, ΔGH*. However, the elucidation of intermediates involved in this process remains challenging, rendering the mechanistic details and specific role of Cu in improving activity uncertain. Herein, we describe the isolation and characterization of [NEt4][Tp*MoS3(CuSPh)2] (Tp* = tris(3,5-dimethylpyrazolyl)borate), a molecular model of Cu2MoS4 capable of promoting electrocatalytic HER. Mechanistic investigations by DFT and multireference variational 2-electron reduced density matrix (v2RDM)-CASSCF implicate a sulfur-based hydrogen evolution pathway in which the bridging μ2-sulfides are rendered more basic by one-electron reduction, which populates a Mo-4d/S-3p based orbital with significant electron delocalization on the two μ2-sulfides. Reduction and protonation of two adjacent Mo(μ2-S) moieties leads to H2 elimination with an accessible energy barrier of +20.2 kcal/mol. This pathway contrasts recent studies of stilbene hydrogenation by [Mo3S4Cl3(ImNH2)3]+, in which formation of the corresponding one-electron reduced μ2-SH species via H2 splitting leads to spin density being shared across the MoIII centers. These results provide an atomistic perspective into the role of Cu in modulating the μ2-S pKa and facilitating HER via a formal MoVI/IV cycle with significant electron delocalization between Mo, Cu, and μ2-S.
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