Physicochemical Principles of AC Electrosynthesis: Reversible Reactions

化学 电合成 波形 化学选择性 电解 氧化还原 电化学 生化工程 有机化学 电压 物理化学 电极 量子力学 催化作用 物理 电解质 工程类
作者
Yong Rui Poh,Yu Kawamata,Joel Yuen-Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (36): 24978-24988 被引量:10
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06664
摘要

Electrolysis integrates renewable energy into chemical manufacturing and is key to sustainable chemistry. Controlling the waveform beyond direct current (DC) addresses the long-standing obstacle of chemoselectivity, yet it also expands the parameter set to optimize, creating a demand for theoretical predictions. Here, we report the first analytical theory for predicting chemoselectivity in an alternating current (AC) electrosynthesis. The mechanism is a selective reversal of the unwanted redox reaction during periods of opposite polarity, reflected in the final reaction outcome as a time-averaged effect. In the ideal scenario of all redox reactions being reversible, square AC waveform biases the outcome toward more overoxidation/over-reduction, whereas sine AC waveform exhibits the opposite effect. However, in a more realistic scenario of some redox reactions being quasi-reversible, sine AC may behave mostly like square AC. These predictions are in numerical agreement with model experiments employing acetophenone and align qualitatively with the literature precedent. Collectively, this study provides theoretical proof for a growing trend that promotes changing waveforms to overcome limitations challenging to address by varying canonical electrochemical parameters.
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