Reaction mechanism of hydrogen evolution catalysed by Co and Fe complexes containing a tetra-dentate phosphine ligand – a DFT study

文献情報

出版日 2017-11-21
DOI 10.1039/C7CP06222B
インパクトファクター 3.676
著者

Ya-Qiong Zhang, Rong-Zhen Liao


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要旨

The reaction mechanism of the electro-catalytic proton reduction in neutral phosphate buffer enabled by mononuclear cobalt and iron complexes containing a tetra-dentate phosphine ligand (MP4N2, M = Fe, Co) has been elucidated by density functional calculations. The phosphate from the buffer was found to play a crucial role by coordinating to the metal and delivering a proton to the metal hydride in the H–H bond formation. For the more efficient cobalt catalyst, the starting species is a CoII complex with a hydrogen phosphate and a water molecule ligated at the two vacant coordination sites. Two sequential proton-coupled electron transfer reductions lead to the formation of a CoII–H intermediate with a dihydrogen phosphate ligand, and the reduction potentials for these two steps were calculated to be −0.58 V and −0.72 V, respectively. Subsequently, the H–H bond formation takes place via coupling of the CoII–H and the proton from the dihydrogen phosphate ligand. The total barrier was calculated to be 18.2 kcal mol−1 with an applied potential of −0.5 V, which can further decrease to only 11.2 kcal mol−1 with an applied potential of −0.8 V. When the phosphate is displaced by a water molecule, the total barrier for the dihydrogen formation increases by 7.3 kcal mol−1. For the iron catalyst, the overall mechanism is essentially the same; however, the first reduction (FeII/FeI, potential of −1.13 V) is likely the rate-limiting step. The calculated results are in good agreement with the experimental data, which showed an onset potential of −0.50 V for the cobalt complex and −1.03 V for the iron complex.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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