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天津理工王成Adv. Sci.:共摻雜Ni3S2催化劑高效電氧化5-羥甲基糠醛:有望在工業級電流密度下生產H2

利用有機化合物的電氧化取代析氧反應(OER)被認為是提高電解水分解過程能量轉換效率的一種有前途的方法。因此,開發具有低電位和高電流密度的高效電催化劑對于大規模生產氫氣(H2)和其他增值化學品至關重要。
基于此,天津理工大學王成教授等人報道了一種在泡沫鎳(NF)基底上自支撐Co-摻雜的Ni3S2非貴金屬電催化劑(記為CoxNiS@NF),并將其用作堿性水溶液條件下5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural, HMF)氧化反應(HMFOR)的催化劑。
天津理工王成Adv. Sci.:共摻雜Ni3S2催化劑高效電氧化5-羥甲基糠醛:有望在工業級電流密度下生產H2
在文中,在Ni泡沫基底上直接生長自支撐的Co-摻雜Ni3S2電催化劑(CoxNiS@NF),以構建3D多孔和無粘合劑的集成電極。Co-摻雜不僅促進了具有豐富活性位點的納米片狀陣列CoxNiS@NF的形成,而且有效地降低了HMFOR過電位。優化后的Co0.4NiS@NF表現出優異的HMF電氧化活性,起始電位較低(0.9 V vs. RHE),并在1.45 V時實現了497 mA cm-2的大電流密度,優于已報道的最先進的Ni/Co基電催化劑。
此外,只需要1.04 V即可實現HMFOR的10 mA cm-2的電流密度,這比OER降低了430 mV。
天津理工王成Adv. Sci.:共摻雜Ni3S2催化劑高效電氧化5-羥甲基糠醛:有望在工業級電流密度下生產H2
與堿性介質中的陰極HER結合使用,在HMFOR輔助H2生產過程中,2, 5-呋喃二甲酸(FDCA)和H2在含有10×10-3 M HMF的 10 mL電解液中的產率分別為330.4 μmol cm-2 h-1和1000 μmol cm-2 h-1
作者還研究了電解溫度和HMF濃度對HMFOR的影響,Co0.4NiS@NF電催化劑對HMFOR表現出良好的循環耐久性,可用于葡萄糖、果糖和糠醛等其他生物質衍生化學品的電氧化。該研究提出了一種基于雜原子摻雜來制造高性能催化劑,該催化劑可以通過將傳統的HER陰極過程與HMFOR相結合來促進工業水平的H2生產。
天津理工王成Adv. Sci.:共摻雜Ni3S2催化劑高效電氧化5-羥甲基糠醛:有望在工業級電流密度下生產H2
Efficient Electrooxidation of 5-Hydroxymethylfurfural Using Co-Doped Ni3S2 Catalyst: Promising for H2 Production under Industrial-Level Current Density. Adv. Sci., 2022, DOI: 10.1002/advs.202200957.

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