物理化学学报 >> 2023, Vol. 39 >> Issue (12): 2301032.doi: 10.3866/PKU.WHXB202301032
所属专题: 能源电催化
收稿日期:
2023-01-24
录用日期:
2023-04-06
发布日期:
2023-04-13
通讯作者:
尹诗斌
E-mail:yinshibin@gxu.edu.cn
基金资助:
Shuyi Zheng, Jia Wu, Ke Wang, Mengchen Hu, Huan Wen, Shibin Yin()
Received:
2023-01-24
Accepted:
2023-04-06
Published:
2023-04-13
Contact:
Shibin Yin
E-mail:yinshibin@gxu.edu.cn
Supported by:
摘要:
生物质作为一种可再生的有机碳源,可满足人类对能源和化学品的巨大需求。其中,5-羟甲基糠醛(HMF)是最具应用潜力的生物质衍生平台分子之一,其氧化产物2,5-呋喃二甲酸(FDCA)有望替代对苯二甲酸(PTA)用于合成生物基降解塑料。由于反应条件温和、速率快和选择性高,电催化氧化HMF已成为制备FDCA非常有前景的绿色方法。此外,阳极电氧化HMF反应的理论电位(HMFOR,0.3 V vs. RHE)远低于析氧反应(OER,1.23 V vs. RHE),将其与阴极析氢反应(HER)耦合,有望在生产高附加值FDCA的同时降低产氢电位。然而,构建高效稳定的双功能催化剂用于HMFOR辅助制氢仍然具有挑战性。本文通过水热和高温煅烧的方法在泡沫镍上生长Co掺杂的Ni-Mo-O多孔纳米棒(Co-NiMoO/NF)用于HMFOR (E10/100 = 1.31/1.37 V vs. RHE)和HER (E−10/−100 = −35/−123 mV vs. RHE),均表现出良好的活性和稳定性。对于HMFOR,Co-NiMoO/NF可以在1.36 V vs. RHE的恒电位下连续运行40个循环并保持较高的FDCA选择性(~99.2%)和法拉第效率(~95.7%)。对于HER,Co-NiMoO/NF可以在−200 mA∙cm−2的电流密度下稳定运行50 h。作为双功能电极用于全HMF分解时,仅需1.48 V可达到50 mA∙cm−2,较全水解降低了290 mV,证明了Co-NiMoO/NF电氧化HMF辅助制氢大幅降低能耗的可行性。特别是,双电极体系能在1.45 V恒电位的驱动下,高效稳定地工作10个循环,并保持较高的FDCA选择性(~97.6%),表现出较好的应用潜力。Co-NiMoO/NF的良好催化性能可归因于Co的引入优化了Ni-Mo-O的电子结构和对反应物的吸附行为,从而提高了催化剂的本征活性和稳定性。同时,多孔纳米棒有助于底物分子和气泡在其表面的传输和脱附,进而提高了HMFOR/HER的反应动力学。这项工作有望为HMFOR和HER的高效稳定双功能催化剂的设计提供有益见解。
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Fig 3
(a) LSV curves of Co-NiMoO/NF and other samples for HMFOR; (b) Tafel slopes; (c) Nyquist plots; (d) OCP curves of Co-NiMoO/NF and NiMoO/NF in 1.0 mol·L−1 KOH and injecting 50.0 mmol·L−1 HMF subsequently; (e) LSV curves for Co-NiMoO/NF in 1.0 mol·L−1 KOH with and without 10.0 mmol·L−1 HMF; (f) HPLC traces of HMFOR catalyzed by Co-NiMoO/NF; (g) Conversion of HMF and yield of oxidation products during the chronoampermetry test; (h) Selectivity and FE of FDCA for Co-NiMoO/NF based three-electrode system for 40 cycles."
Fig 4
(a) LSV curves of HER for Co-NiMoO/NF in 1.0 mol·L−1 KOH with and without 10.0 mmol·L−1 HMF; (b) LSV curves of Co-NiMoO/NF and other samples for HER; (c) Histogram of corresponding HER overpotentials at −10 mA·cm−2; (d) Tafel slopes; (e) Nyquist plots; (f) I−t curve of Co-NiMoO/NF at −200 mA·cm−2 for HER stability, insert is the LSV curves before and after HER stability tests."
Fig 5
(a) Schematic illustration of Co-NiMoO/NF || Co-NiMoO/NF electrolyzer for both HMFOR and HER; (b) LSV curves of Co-NiMoO/NF || Co-NiMoO/NF in 1.0 mol·L−1 KOH with and without 10.0 mmol·L−1 HMF; (c) Conversion of HMF and yield of its oxidation products during the chronoampermetry test; (d) I−t curves for Co-NiMoO/NF || Co-NiMoO/NF at 1.45 V by passing the charge of 60 C; (e) HER FE of Co-NiMoO/NF as cathode; (f) HMF conversion, FDCA selectivity and FE for Co-NiMoO/NF || Co-NiMoO/NF kept at 1.45 V for 10 cycles."
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