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Proton-Coupled Electron Transfer in the Catalytic Hydrogenation of Hydroxyacetone: A pH-Induced Switch from Potential Pinning to Kinetic Coupling

化学 催化作用 电子转移 动能 动力学同位素效应 化学物理 转移加氢 过渡状态 选择性 电化学 反向 联轴节(管道) 极化(电化学) 光化学 质子耦合电子转移 质子 溶剂 溶剂效应 偶联反应 电子 反应中间体 化学反应 氧化还原 反应速率 小学(天文学) 反应机理 计算化学 过渡金属 多相催化 电子交换
作者
Yi Shi,Xiaomin Wang,Ming Sun,Zhijian Li,Yu Sun,Shihe Lin,Yijun Yang,Xi Wang,Zhiqin Liang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17852
摘要

At metal-aqueous interfaces, the spontaneous open-circuit potential (OCP) established by H2/H3O+ quasi-equilibrium introduces electrochemical effects. This interfacial polarization can modulate the chemical potential of reaction intermediates and enable alternative proton-coupled electron transfer (PCET) pathways beyond classical Langmuir-Hinshelwood mechanisms. Herein, we demonstrate a pH-induced switch in selectivity for the catalytic conversion of biomass-derived hydroxyacetone (HA) over Pt/C under H2. The primary C=O hydrogenation to propylene glycol (PG) exhibits an inverse volcano-shaped rate dependence on pH. Isotopic labeling experiments support the idea that solvent serves as the primary proton source, establishing PCET as the dominant mechanism. We further connect this bias-free HA hydrogenation to the half-reaction framework invoked by the mixed-potential theory. Short-circuit experiments and kinetic perturbations in H2 pressure and HA concentration reveal a clear transition from a "potential-pinned" regime at low pH─where OCP is governed solely by H2/H+ equilibrium─to a "kinetic coupled" mixed-potential regime at high pH, in which competing reactions jointly influence the catalyst potential. Both regimes are governed by the same mixed-potential framework, and the transition reflects the relative proportion of the HA reduction current to the HOR/HER exchange current. These results reflect the intrinsic complexity at the metal-aqueous interfaces and call for a more complete understanding of kinetic coupling when mixed-potential concepts are used to describe thermocatalytic reactions.
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