Achieving Efficient Electrocatalytic CO2-Involved N-Methylation on Cu–Ni–Al Heterostructured Catalysts

化学 选择性 催化作用 密度泛函理论 异质结 亲核细胞 基质(水族馆) 甲基化 计算化学 有机化学 材料科学 光电子学 生物化学 基因 海洋学 地质学
作者
Xiaodong Ma,Xinning Song,Xingxing Tan,Libing Zhang,Shunhan Jia,Limin Wu,Ruhan Wang,Weixiang Li,Chaofeng Zheng,Lihong Jing,Xinchen Kang,Qinggong Zhu,Xiaofu Sun,Buxing Han
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 27377-27389 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03413
摘要

Using CO2 as the carbon source for electrocatalytic C-N coupling with organic amino compounds to achieve N-methylation reactions offers an appealing route for synthesizing valuable N-containing chemicals, mitigating CO2 emissions, and storing renewable energy but is challenging. Herein, we report the first work to design heterostructured Cu-Ni-Al electrocatalysts for N-methylation. Using 4-hydroxypiperidine (PD) as a substrate, high electrocatalytic performance with a 1-methyl-4-piperidinol (MPD) faradaic efficiency (FE) of 29.3%, a N-methylation selectivity of 100%, a C-selectivity of 78.3%, and a formation rate of 15.4 mmol g-1 h-1 was achieved in the H-cell. It also showed remarkable recycling stability. Control experiments and in situ measurements confirmed the key role of the CuO/NiAl2O4 heterostructure for the N-methylation reaction. Moreover, a combination of experimental and density functional theory (DFT) calculations demonstrated that CO2 converted to the *H2CO intermediate on the CuO/NiAl2O4 heterostructure, which underwent chemical condensation and subsequent reduction with nucleophilic amino compounds on the CuO/NiAl2O4 heterostructure, leading to high efficiency toward N-methylation. Further investigation showed that this system could also be extended to other amino compounds.
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