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?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER

?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER
在電催化水分解制氫過程中,陽極析氧反應(yīng)(OER)緩慢的動力學(xué)限制了整體反應(yīng)效率。同時,在極端情況下,由于氣體交叉,陽極產(chǎn)生的O2可能與陰極產(chǎn)生的H2混合,從而引起潛在的安全問題。5-羥甲基糠醛(HMF)是一種用途廣泛的生物質(zhì)平臺分子,可作為生物化學(xué)品和生物燃料的多功能前體。并且其在相對較低的氧化電位下的氧化產(chǎn)物2,5-呋喃二甲酸(FDCA)在生產(chǎn)可再生生物基塑料時,由于分子結(jié)構(gòu)相似,可以取代石油基單體對苯二甲酸。
因此,利用HMF電氧化替代陽極OER是非??扇〉摹4送?,為了實現(xiàn)高的反應(yīng)成本效益,制備出一種可同時催化HMF氧化和析氫反應(yīng)(HER)的雙功能電催化劑是非常可取的。
?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER
?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER
近日,浙江大學(xué)王勇課題組采用水熱法合成了多位點Ru@NixCo1-x(OH)2蒲公英狀電催化劑,并將其作為堿性條件下同時生產(chǎn)H2和FDCA的雙功能電催化劑。實驗結(jié)果表明,Ru@NixCo1-x(OH)2電催化劑在10和1000 mA cm?2電流密度下的HER過電位分別為20和230 mV;并且HMF氧化起始電位比OER起始電位降低了160 mV。因此,在HMF氧化耦合HER系統(tǒng)中,僅需要1.35 V的電池電壓就能產(chǎn)生10 mA cm?2的電流密度。
此外,將這種結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到2×2 cm2的膜電極組體反應(yīng)器后,F(xiàn)DCA的產(chǎn)量達(dá)到了驚人的243mg h?1,同時節(jié)省了大約0.67 kWh/m3(H2)的電力。
?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER
?浙大ACS Catal.: 構(gòu)建異核橋聯(lián)原子,實現(xiàn)電催化HMF氧化耦合HER
原位光譜表征和理論計算表明,Ru@NixCo1-x(OH)2雙功能電催化劑在陽極和陰極反應(yīng)中起著不同的作用。在陰極部分,Ru摻雜導(dǎo)致Ru@NixCo1-x(OH)2的d帶中心上移,這增強(qiáng)了對水的吸附,且Ru-Ni金屬對加速了水的分裂,獲得了較高的*H覆蓋率;在陽極部分,Ru-Co金屬對促進(jìn)HMF吸附,吸附的*OH或OH?進(jìn)攻活化的C-H鍵形成氧化產(chǎn)物,達(dá)到了100%的法拉第效率和選擇性。
總的來說,該項工作通過精細(xì)調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了環(huán)境條件下同時產(chǎn)氫和有機(jī)物有效轉(zhuǎn)化,這為同時產(chǎn)氫和生物質(zhì)升級的工業(yè)化實施奠定了基礎(chǔ)。
Constructing heteronuclear bridging atoms toward bifunctional electrocatalysis. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.4c01705

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