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2次元導電性金属有機フレームワークナノワイヤへのマルチメタルの導入により、ベンジルアミンのベンゾニトリルへの優れた電極触媒酸化を可能にした
Multimetal Incorporation into 2D Conductive Metal-Organic Framework Nanowires Enabling Excellent Electrocatalytic Oxidation of Benzylamine to Benzonitrile.
PMID: 32372639 DOI: 10.1021/acsami.0c05094.
抄録
重要な有機中間体であるベンゾニトリル（BN）は、有機合成化学や医薬・染料産業で広く利用されていますが、より効率的で制御性の高い合成技術や、それに対応した環境に優しい触媒の開発が大きな課題となっています。しかし、BN合成のためのより効率的で制御可能な合成技術と、それに対応する環境に優しい触媒の探索は、未だに大きな課題となっています。ここでは、多金属二次元導電性金属-有機フレームワーク（2D cMOF）を陽極電極触媒として使用して、BNのためのグリーンで便利な高効率の電気化学的合成戦略を開発しています。本質的な二次元導電構造と最適化された多金属カップリング触媒効果により、得られた多金属二次元cMOFは優れたベンジルアミン(BA)の電気酸化性能を示す。特に、トリメタリック2D cMOF(NiCoFe-CAT)は、10 mA-cmの電流密度を達成するために1.29 V対可逆水素電極(RHE)の超低電位を必要とし、これは最速の反応と最も好ましい熱力学的条件を示している。反応機構の検討から、M/Mの様々なレドックスメディエーター(Ni, Co, Fe)が多金属活性種としてBA変換を促進する可能性があることが示唆された。また、多金属二次元cMOFの優れたサイクル耐久性は、実用化の可能性をさらに高めるものである。これらの電極触媒性能は優れていると考えられ、ベンジルアミンの電極触媒酸化のために報告されている他のすべてのNiベースの無機物やMOFベースの電極触媒をほぼ凌駕している。
As an important organic intermediate, benzonitrile (BN) is widely involved in organic synthetic chemistry and pharmaceutical and dyestuff industries. However, the exploration of a more efficient and controllable synthesis technique and the corresponding greener catalysts for the synthesis of BN still poses a great challenge. Herein, with multimetallic two-dimensional conductive metal-organic frameworks (2D cMOF) as anodic electrocatalysts, we develop a green, convenient, and highly efficient electrochemical synthesis strategy for BN. Thanks to the intrinsic 2D electrically conductive structure and the optimized the multimetallic coupling catalytic effect, the resulting multimetallic 2D cMOFs exhibit excellent benzylamine (BA) electrooxidation performance. Especially, the trimetallic 2D cMOF (NiCoFe-CAT) requires an ultralow potential of 1.29 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) to achieve a 10 mA·cm current density, which indicates the fastest reaction and the most favorable thermodynamic condition. A very high yield (0.058 mmol·mg·h) and faradic efficiency (∼87%) of benzonitrile are both achieved during the BA electrooxidation reaction at 1.45 V. The reaction mechanism investigations indicated that the various redox mediators of M/M (Ni, Co, Fe) may be regarded as multimetal active species to promote BA conversion. Also, the excellent cycling durability of multimetallic 2D cMOFs further promotes their potential practical applications. These electrocatalytic performances are considered excellent and nearly surpass all other reported Ni-based inorganics or MOF-based electrocatalysts for the electrocatalytic oxidation of benzylamine.