Ruthenium-Substituted Polyoxoanion Serves as Redox Shuttle and Intermediate Stabilizer in Selective Electrooxidation of Ethylene to Ethylene Glycol

化学 乙二醇 乙烯 稳定器(航空) 钌 氧化还原 无机化学 高分子化学 光化学 有机化学 催化作用 机械工程 工程类
作者
Jiaqi Yu,Charles B. Musgrave,Q. Chen,Yi Yang,Cong Tian,Xiaobing Hu,Gloria H. Su,Heejong Shin,Weiyan Ni,Xinqi Chen,Pengfei Ou,Yuan Liu,Neil M. Schweitzer,Debora Meira,Vinayak P. Dravid,William A. Goddard,Ke Xie,Edward H. Sargent
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (47): 32660-32669 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11891
摘要

The high carbon intensity of present-day ethylene glycol (EG) production motivates interest in electrifying ethylene oxidation. Noting poor kinetics in prior reports of the organic electrooxidation of small hydrocarbons, we explored the design of mediators that activate and simultaneously stabilize light alkenes. A ruthenium-substituted polyoxometalate (Ru-POM, {Si[Ru(H2O)W11O39]}5–) achieves 82% faradaic efficiency in EG production at 100 mA/cm2 under ambient conditions. Via the union of in situ spectroscopic techniques, electrochemical studies, and density functional theory calculations, we find evidence of a two-step oxidation mechanism: Ru-POM first undergoes electrochemical oxidation to the high valent state, activating ethylene via partial oxidation and forming an intermediate complex; this intermediate complex then migrates to the anode where it undergoes further oxidation to produce EG. The Ru-POM-mediated electrocatalytic system reduces the projected energy consumption required in EG production, requiring 9 GJ per ton of EG (and accompanied by 0.04 ton H2 coproduction), compared to 20–30 GJ/ton in typical prior processes.
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