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研究背景
氢化和氧化是合成细化和大宗化学品中最常用的转化方法，但这些过程通常在高压氢气和氧气、高温条件下进行，带来安全、环境和能源效率方面的问题。特别是，通过蒸汽重整甲烷产生的氢气会释放大量二氧化碳，而氧气的传统生产过程则需要极低温度和高压。此外，这些气体的储存和运输既耗时又费力。虽然开发了其他有机和无机还原剂及氧化剂，但它们的使用同样带来了安全和成本问题，并产生化学废物。为此，全球的科学家们开始寻求可持续的、高效的技术，使用绿色且易于获取的试剂来实现氢化和氧化反应。在这一背景下，利用可再生电力驱动的电化学转化技术应运而生，提供了一种强大的途径。电化学技术利用“干净”的电子作为氧化还原试剂，在室温条件下通过水分解直接生成活性氢和氧物种，避免了额外的氢化剂和氧化剂，提供了一种比热化学过程更温和、更绿色的替代方案。鉴于此，天津大学理学院化学系张兵教授团队在Nature Reviews Chemistry期刊发表“Electrochemical hydrogenation and oxidation of organic species involving water”的研究综述。本研究集中于水参与的电化学氢化和氧化反应（EHORs），特别是在中性和碱性电解质中进行的反应，利用异质电极实现有机分子的转化。通过对不同反应物使用的电极类型、评估电化学性能的指标、材料和有机物种的表征技术、以及氢化和氧化反应的过程进行介绍，本研究为实现高性能EHORs提供了一般性知识。此外，通过分析反应过程来设计电催化剂和控制反应微环境，解决了如何提高反应性能的问题。通过整合氢化和氧化反应的方法，进一步扩展了EHORs的应用范围，为未来的研究提供了新的方向和挑战。
科学贡献
1. 水参与的有机分子的EHORs研究:本文重点关注了水作为溶剂、氢源和氧源参与的有机分子的电化学反应。这种基于水的电化学转化在绿色、温和和高效的条件下实现了有机分子的氢化和氧化，具有巨大的应用潜力。2. 异质电极的催化活性研究:文中介绍了不同类型的异质电极，如气体扩散电极和钯膜电极，以提高电化学反应的效率。通过设计优化的电极材料，实现了对有机分子的高效转化，为EHORs的实际应用奠定了基础。3. H加成和PCET过程的研究:在氢化反应中，涉及H加成和Proton-Coupled Electron Transfer (PCET) 过程。本文通过深入探讨这两个过程，揭示了催化机理的细节，为设计高效的催化剂提供了理论基础。4. 反应动力学的匹配和EHORs的设计:本文介绍了匹配反应动力学的重要性，并提出了不同的配对反应模式。通过实现两个电极上的反应动力学匹配，提高了电化学转化的效率和速率，为EHORs的实际应用提供了新思路。5. 微环境调控的研究:文中探讨了界面微环境对电化学性能的影响，并提出了通过调控微环境来提高反应效率的策略。这为设计具有高活性和选择性的电化学反应提供了新思路。6. 未来发展方向的探讨:本文对未来研究方向进行了展望，包括加强反应机理研究、拓展EHORs的应用范围、提高反应效率和稳定性等。这些展望为进一步推动EHORs技术的发展提供了重要的指导。图1：由可再生能源驱动的电化学如何将有机物转化为更有价值的化学品的概述。图3：电化学氢化反应（EHRs）和电化学氧化反应（EORs）的一般过程。图4：调节电化学氢化反应（EHRs）选择性的电催化剂设计。
科学启迪
本文探索水参与的电化学反应（EHORs）在有机分子转化领域的广泛应用。通过利用水作为氢源和氧化剂，在中性和碱性电解质条件下，结合异质电极实现有机分子的氢化和氧化反应，是一项具有重要意义的研究方向。这种方法可以避免传统的高能耗、高压力、高温度的化石燃料驱动的化学转化过程所带来的安全和环境问题。同时，这一技术可以利用可再生能源驱动，实现碳中和的有机合成过程，为可持续发展提供了一种重要途径。此外，通过对电极材料、反应过程和微环境的深入研究，我们可以更好地理解EHORs的机理，设计高效的电催化剂，并优化反应条件，以实现更高的选择性和产率。同时，通过配对EHORs，我们可以实现同时在两个电极上合成价值更高的产物，从而拓展了有机合成的可能性。最后，本文强调了在EHORs领域尚存在的挑战和未来的发展方向，如对催化剂的进一步优化、对微环境的深入理解以及与其他化学转化方法的集成等。这些挑战提供了未来研究的方向，同时也为实现可持续化学合成提供了新的思路和可能性。因此，本文为利用水参与的电化学反应在有机合成领域的应用提供了重要的科学启示，为未来的研究和技术发展指明了方向。Liu, C., Chen, F., Zhao, BH. et al. Electrochemical hydrogenation and oxidation of organic species involving water. Nat Rev Chem (2024). https://doi.org/10.1038/s41570-024-00589-z
