由于传统化石能源的不可再生性,其储量日益减少.同时,传统化石能源的使用对环境产生了巨大影响,给人类社会带来了一系列问题,包括温室效应、酸雨等.因此,进入二十一世纪以后,人类面临着日益严峻的能源危机和环境问题,寻找清洁、高效的替代能源已经迫在眉睫.太阳能被认为是一种洁净的可再生能源.自然界通过光合作用将太阳能转化为化学能,在这一过程中,水被氧化产生氧气,同时释放出的电子和质子通过和二氧化碳作用生成碳水化合物.为了模拟这一过程,人工光合作用可以直接将电子和质子结合形成氢气.由此生成的氢气也被认为是洁净的可再生能源,因为在其燃烧过程中只产生水.因此,通过光致水分解析氢析氧的人工光合作用受到了越来越广泛的重视.水分解可以分为两个独立的半反应,即水的氧化析氧和水的还原析氢.水的氧化无论在热力学还是动力学方面,都存在着非常大的阻碍.在热力学上,两分子的水氧化生成一分子氧气需要提供很多能量(ΔE = 1.23 V vs NHE).在动力学上,由于涉及到四个氢原子和两个氧原子的重组,并且涉及到氧氧键形成并释放出一分子氧气,因此水氧化是一个非常缓慢的过程.在自然界,水的氧化主要发生在光合作用中,在绿色植物的叶绿体中完成.通过对光合作用的研究,科学家们发现氧气的产生由光系统Ⅱ (PSⅡ)中的释氧中心来完成.释氧中心是一个钙锰簇合物,由四个锰和一个钙组成(Mn4CaOx).自然界水分解产生氧气的过程给了我们很大启示,对设计和研究高效稳定的水氧化催化剂具有一定的指导意义.目前水氧化催化剂主要有两大类.第一类是基于材料的水氧化催化剂.该类催化剂的催化效率高,过电势小,但是对水氧化催化过程的机理缺乏深入研究.第二类是基于金属配合物的分子催化剂.相比基于材料的催化剂,分子催化剂具有以下特点: (1)分子催化剂的结构可以通过实验手段表征清楚;(2)可以结合光谱对水氧化的机理进行深入研究,可以对催化过程中间体进行表征;(3)催化剂的结构可以从分子水平上进行修饰,因此可以更好地研究催化效率与结构之间的关系,为设计高效、稳定的催化剂提供必要信息;(4)比较容易组装成分子器件从而应用到实际的水氧化装置中;(5)通过实验与理论的结合,对氧氧成键提出新的认识与理解.近几年来,一些单核的金属配合物逐渐被发现可以高效、稳定地催化水氧化.研究表明,一些基于钌和铱的催化剂具有良好的催化活性,但由于金属钌和铱储量少、价格昂贵等因素,限制了该类催化剂的大量使用.由于第一过渡系金属元素具有储量丰富、安全无毒、廉价易得等优势,第一过渡周期金属化合物逐渐成为科学家们研究的热点.近几年来,基于第一过渡系金属的水氧化催化剂已经有大量报道.本文主要总结了近几年来基于第一过渡系金属的单核水氧化分子催化剂.通过对催化机理进行深入的讨论,特别是对氧氧成键的总结,本文将对设计合成结构新颖、具有高催化效率和良好稳定性的水氧化分子催化剂提供理论依据.%Water oxidation is significant in both natural and artificial photosynthesis. In nature, water oxida-tion occurs at the oxygen-evolving center of photosystem Ⅱ, and leads to the generation of oxygen, protons, and electrons. The last two are used for fixation of carbon dioxide to give carbohydrates. In artificial processes, the coupling of water oxidation to evolve O2and water reduction to evolve H2is known as water splitting, which is an attractive method for solar energy conversion and storage. Because water oxidation is a thermodynamically uphill reaction and is kinetically slow, this reaction causes a bottleneck in large-scale water splitting. As a consequence, the development of new and efficient water oxidation catalysts (WOCs) has attracted extensive attention. Recent efforts have identified a variety of mononuclear earth-abundant transition-metal complexes as active and stable molecular WOCs. This review article summarizes recent progress in research on mononuclear cata-lysts that are based on first-row transition-metal elements, namely manganese, iron, cobalt, nickel, and copper. Particular attention is paid to catalytic mechanisms and the key O–O bond formation steps. This information is critical for designing new catalysts that are highly efficient and stable.
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