1,3-Dimethyl-2-phenyl-1Н-benzo[d]imidazolium Iodide—A Representative of a New Class in the Family of Metal-Free Organic Catalysts: Electrochemical Properties and Electrocatalytic Activity in the Reaction of Formation of Molecular Hydrogen

Cover Page

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The electrochemical properties and electrocatalytic activity of 1,3-dimethyl-2-phenyl-1H-benzo[d]imidazolium-3 iodide (I), a representative of a new class of organic metal-free electrocatalysts, in the reaction of formation of molecular hydrogen, in the presence of acids of various strengths (methanesulfonic acid (CH3SO3H), perchloric acid (HClO4), and trifluoroacetic acid (CF3COOH)) have been studied. It is shown that the efficiency of the electrocatalytic process strongly depends on pKa of the acids used. Using gas chromatography and preparative electrolysis at half-wave potentials, it was shown that molecular hydrogen formed with high Faraday yields in all cases. The behavior of the catalytic wave on the cyclic voltammogram (CV), at various ratios of acid and catalyst concentrations in the presence of all acids is typical for the process proceeding according to a homogeneous mechanism. The mechanism of the process was studied by the density functional method (DFT), and its main intermediates were identified. The protonation of electrochemically generated radicals at the C-2 carbon atom of compound I, with the formation of a C-protonated radical cation, was shown to be the key stage of the electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER).

About the authors

A. V. Dolganov

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

L. A. Klimaeva

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

S. G. Kostryukov

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

D. V. Chugunov

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

A. D. Yudina

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

A. Sh. Kozlov

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

A. S. Zagorodnova

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

A. V. Tankova

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

V. O. Zhirnova

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

O. V. Tarasova

Ogarev National Research Mordovia State University

Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

A. V. Knyazev

Ogarev National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: dolganov_sasha@mail.ru
Saransk, Russia

References

  1. Turner J.A. // Science. 2004. V. 305. P. 972.https://doi.org/10.1126/science.1103197
  2. Chisholm G., Zhao T., Cronin L. // Elsevier. 2022. P. 559.https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824510-1.00015-5
  3. Armaroli N., Balzani V. // ChemSusChem. 2011. V. 4. P. 21.
  4. Hosseini S.R., Ghasemi S., Ghasemi S.A. // ChemistrySelect. 2019. V. 4. № 23. P. 6854–6861. https://doi.org/10.1002/slct.201901419
  5. Belhadj H., Messaoudi Y., Khelladi M.R. et al. // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2022. V. 47. № 46. P. 20129.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.04.151
  6. Gao X., Deng H., Dai Q. et al. // Catalysts. 2021. V. 12. № 1. P. 2. https://doi.org/10.3390/catal12010002
  7. Das M., Khan Z.B., Biswas A. et al. // Inorg. Chem. 2022. V. 61. № 45. P. 18253. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c03074
  8. Zhao Y., Zhang J., Zhang W. et al // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 72. P. 35550. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.03.085
  9. Sun H., Xu X., Song Y. et al. // Adv. Funct. Mater. 2021. V. 31. № 16. P. 2009779. https://doi.org/10.1002/adfm.202009779
  10. Mairanovskii S.G. // Russian Chemical Reviews 1991. V. 60. P. 1085. https://doi.org/10.1070/RC1991v060n10ABEH001131
  11. Dolganov A.V., Tarasova O.V., Ivleva A.Y. et al. // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2017. V. 42. № 44. P. 27084. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.09.080
  12. Dolganov A.V., Tarasova O.V., Moiseeva D.N. et al // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2016. V. 41. № 22. P. 9312. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.03.131
  13. Dolganov A.V., Balandina A.V., Chugunov D.B. et al. // Russ. J. Gen. Chem. 2020. V. 90. № 7. P. 1229.https://doi.org/10.1134/S1070363220070099
  14. Dolganov A.V., Tanaseichuk B.S., Pryanichnikova M.K. et al. // J. Phys. Org. Chem. 2019. V. 32. № 5. e3930.https://doi.org/10.1002/poc.3930
  15. Dolganov A.V., Muryumin E.E., Chernyaeva O.Y. et al. // Materials Chemistry and Physics. 2019. V. 224. P. 148.https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.12.006
  16. Dolganov A.V., Tanaseichuk, B.S., Tsebulaeva Y.V. et al. // Int. J. Electrochem. Sci. 2016. P. 9559.https://doi.org/10.20964/2016.11.24
  17. Dolganov A.V., Tarasova O.V., Balandina A.V. et al. // Russ. J. Org. Chem. 2019. V. 55. № 7. P. 938.https://doi.org/10.1134/S1070428019070030
  18. Dolganov A.V., Tanaseichuk B.S., Yurova V.Yu et al. // Intern. J. of Hydrogen Energy 2019. V. 44. № 39. P. 21495.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.06.067
  19. Dolganov A.V., Tanaseichuk B.S., Moiseeva D.N. et al. // Electrochem. Commun. 2016. V. 68. P. 59.https://doi.org/10.1016/j.elecom.2016.04.015
  20. Dolganov A.V., Chernyaeva O.Y., Kostryukov S.G. et al. // Intern. J. of Hydrogen Energy. 2020. V. 45. № 1. P. 501.https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.175
  21. Dolganov A.V., Tanaseichuk B.S., Tarasova O.V. et al. // Russ. J. Electrochem.2019. V. 55. № 8. P. 807.https://doi.org/10.1134/S1023193519080056
  22. Ganz O.Yu., Klimaeva L.A., Chugunov D.B. et al. // Russ. J. Phys. Chem. 2022. V. 96. № 5. P. 954.https://doi.org/10.1134/S0036024422050120
  23. Zhu X.-Q., Zhang M.-T., Yu A. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 13. № 8. P. 2501.https://doi.org/10.1021/ja075523m
  24. Stephens P.J., Devlin F.J., Chabalowski C.F. et al. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 45. P. 11623. https://doi.org/10.1021/j100096a001
  25. Ditchfield R., Hehre W.J., Pople J.A. // The J. of Chem. Physics 1971. V. 54. № 2. P. 724. https://doi.org/10.1063/1.1674902
  26. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A. et al. // J. Comput. Chem. 1993. V. 14. № 11. P. 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
  27. Felton G.A.N., Glass R.S., Lichtenberger D.L. et al. // Inorg. Chem. 2006. V. 45. № 23. P. 9181. https://doi.org/10.1021/ic060984e
  28. Savéant J.-M. // ACS Catal. 2018. V. 8. № 8. P. 7608.https://doi.org/10.1021/acscatal.8b02007
  29. Savéant J.-M. // Chem. Rev. 2008. V. 108. № 7. P. 2348.https://doi.org/10.1021/cr068079z
  30. Saveant J.-M. // ChemElectroChem. 2016. V. 3. № 12. P. 1967.https://doi.org/10.1002/celc.201600430

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (81KB)
3.

Download (12KB)
4.

Download (233KB)
5.

Download (69KB)

Copyright (c) 2023 А.В. Долганов, Л.А. Климаева, С.Г. Кострюков, Д.Б. Чугунов, А.Д. Юдина, А.Ш. Козлов, А.С. Загороднова, А.В. Танкова, В.О. Жирнова, О.В. Тарасова, А.В. Князев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».