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弱场辅助配体配位的过渡金属(Fe, Mo)分子模型催化剂的合成与固氮性能的研究
结题报告
批准号:
21901110
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
荣卫锋
依托单位:
学科分类:
B0102.配位化学
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
固氮酶是地球上生物固氮的关键,模拟固氮酶实现人工常温常压固氮一直是人们研究的热点,特别是确定了固氮酶的活性中心是富含硫的铁钼簇(FeMoco)之后,分子模型催化剂得到了更加充分地发展。本课题针对目前过渡金属(Fe, Mo)分子模型催化剂存在的催化条件苛刻、配体合成复杂、与固氮酶的结构不符、引入大量还原剂和质子酸、催化剂在短时间内分解失活等缺点和不足,打破常规强场配体的限制,拟合成一系列多硫CSSS型类固氮酶弱场配体辅助的过渡金属(Fe和Mo)配合物,在合适质子源和还原剂存在下,研究其固氮性能。探究不同配体的空间位阻及电子性质,质子源酸性,还原剂的还原能力影响氮气还原的规律;重点考察弱场配体存在下,金属中心的氧化态,自旋状态,磁学性质,及这些因素对氮气还原的影响;探索配位模式与氮气反应性的关系,期待设计的CSSS型配体辅助配位的Fe, Mo催化剂能够精确模拟FeMoco高效率室温合成氨。
英文摘要
Nitrogenase is the key to biological nitrogen fixation on the earth. It is a hot research topic to simulate nitrogenases to achieve artificial nitrogen fixation at room temperature and atmospheric pressure. Especially after the identification that the active site of nitrogenase is sulfur-rich Fe-Mo cluster (FeMoco) with an interstitial carbon atom at the center, molecular model catalysts have been more fully developed. This topic is aimed against the deficiency among the current transition metal (Fe, Mo) molecular model catalysts, involving that the catalytic conditions are harsh, the ligand synthesis is complex, is inconsistent with the structure of nitrogenase, the introduction of a large number of reducing agents and protic acid, the decomposition and deactivation of the catalyst in a short time, etc. To break the limitation of conventional strong field ligands, we want to prepare a family of transition metal (Fe and Mo) complexes supported by polysulfide CSSS type weak field ligand structurally similar to nitrogenase enzymes for the purpose of nitrogen fixation in the presence of suitable proton source and reducing agent. The steric hindrance and electronic properties of different ligands will be explored. The influence on nitrogen reduction about the proton source acidity and the reducing ability of the reducing agent will be investigated. The oxidation state, spin state and magnetic properties of the metal center with weak field ligands will be highlighted. The relationship between coordination mode and nitrogen reactivity will be explored. It is expected that the Fe, Mo catalyst can accurately simulate FeMoco to synthesize ammonia high-efficiency room temperature at atomic-economy manner.
氮是地球上所有生物的基本元素。由于地球上的大部分氮原子以惰性氮气的形式存在,因此需要利用催化剂固定分子氮气。生物固氮酶可以在常温常压下将氮气转化为氨的固氮过程无疑给科学家提供了借鉴和帮助。为实现温和条件高效固氮,近年来科学家们相继开发出多种方法,包括仿生化学固氮,电催化还原(光催化还原)等。本项目围绕仿生催化剂展开工作,进行了三部分开展工作。第一,合成了一系列多硫弱场配体辅助的过渡金属配合物,在合适质子源和还原剂存在下,研究了其固氮性能。探究了不同配体的空间位阻及电子性质,质子源酸性,还原剂的还原能力影响氮气还原的规律。第二,在进行第一部分工作的过程中,我们发现部分过渡金属催化剂可以进行电化学固氮和电化学一氧化碳还原。于是我们开发了多种后过渡金属单原子及团簇催化剂,利用实验和理论的方法详细研究了它们在电化学条件下催化氮气或一氧化碳还原的反应过程。第三,受固氮酶结构的启发,利用多种含氮载体制备了Fe-N, Zn-N催化剂,并合作开发了其作为纳米酶的优秀催化性能,发现这些催化剂具有较高的反应活性、稳定性和可回收性。
期刊论文列表
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会议论文列表
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ZIF-90 with biomimetic Zn-N coordination structures as an effective nanozyme to mimic natural hydrolase
具有仿生 Zn-N 配位结构的 ZIF-90 作为模拟天然水解酶的有效纳米酶
DOI:10.1039/d2nr01213h
发表时间:2022-05-13
期刊:NANOSCALE
影响因子:6.7
作者:Fan, Chaoyu;Tang, Yonghua;Lin, Youhui
通讯作者:Lin, Youhui
Using Silk-derived Magnetic Carbon Nanocomposites as Highly Efficient Nanozymes and Electromagnetic Absorbing Agents
使用丝衍生的磁性碳纳米复合材料作为高效纳米酶和电磁吸收剂
DOI:10.1016/j.cclet.2022.108084
发表时间:2022-12
期刊:Chinese Chemical Letters
影响因子:9.1
作者:Hao Wang;Xianhui Zhang;Yonghua Tang;Weifeng Rong;Jiachen Zhao;Chaoyu Fan;Zhisen Zhang;Zhijun Sun;Yun Yang;Youhui Lin
通讯作者:Youhui Lin
Few-Atom Copper Catalyst for the Electrochemical Reduction of CO to Acetate: Synergetic Catalysis between Neighboring Cu Atoms
少原子铜催化剂用于 CO 电化学还原为乙酸:相邻铜原子之间的协同催化
DOI:10.31635/ccschem.022.202201910
发表时间:2022-06
期刊:CCS Chemistry
影响因子:11.2
作者:Weifeng Rong;Haiyuan Zou;Sha Tan;Enyuan Hu;Fan Li;Chao Tang;Hao Dai;Shuting Wei;Yongfei Ji;Lele Duan
通讯作者:Lele Duan
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