Electronic Modulation of Ni-Mo-O Porous Nanorods by Co Doping for Selective Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural Coupled with Hydrogen Evolution

Shuyi Zheng ,  Jia Wu ,  Ke Wang ,  Mengchen Hu ,  Huan Wen ,  Shibin Yin

Citation:  Shuyi Zheng, Jia Wu, Ke Wang, Mengchen Hu, Huan Wen, Shibin Yin. Electronic Modulation of Ni-Mo-O Porous Nanorods by Co Doping for Selective Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural Coupled with Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(12): 230103. doi: 10.3866/PKU.WHXB202301032 shu

钴掺杂电子调控Ni-Mo-O多孔纳米棒选择性氧化5-羟甲基糠醛耦合制氢

    通讯作者: 尹诗斌, yinshibin@gxu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22162004

    广西自然科学基金 2022JJD120011

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。

English

    1. [1]

      Tang, C.; Zheng, Y.; Jaroniec, M.; Qiao, S. Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 19572. doi: 10.1002/anie.202101522

    2. [2]

      Prabhu, P.; Wan, Y.; Lee, J. M. Matter 2020, 3, 1162. doi: 10.1016/j.matt.2020.09.002

    3. [3]

      Gérardy, R.; Debecker, D. P.; Estager, J.; Luis, P.; Monbaliu, J. C. M. Chem. Rev. 2020, 120, 7219. doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00846

    4. [4]

      周浩, 景亚轩, 王艳芹. 物理化学学报, 2022, 38, 2203016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202203016Zhou, H.; Jing, Y. X.; Wang, Y. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2203016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202203016

    5. [5]

      Muhammad, S.; Zhao, X. B.; Liu, D. H. Green Chem. 2018, 20, 5427. doi: 10.1039/c8gc02680g

    6. [6]

      Xu, S.; Zhou, P.; Zhang, Z. H.; Yang, C. J.; Zhang, B. G.; Deng, K. J.; Bottle, S.; Zhu, H. Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14775. doi: 10.1021/jacs.7b08861

    7. [7]

      Xu, C.; Paone, E.; Rodríguez-Padrón, D.; Luque, R.; Mauriello, F. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 4273. doi: 10.1039/d0cs00041h

    8. [8]

      Giannakoudakis, D. A.; Colmenares, J. C.; Tsiplakides, D.; Triantafyllidis, K. S. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 1970. doi: 10.1021/acssuschemeng.0c07480

    9. [9]

      杨艳, 何博文, 马华隆, 杨森, 任州宏, 秦天, 卢发贵, 任力闻, 张熠霄, 王天富, 等. 物理化学学报, 2022, 38, 2201050. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201050Yang, Y.; He, B. W.; Ma, H. L.; Yang, S.; Ren, Z. H.; Qin, T.; Lu, F. G.; Ren, L. W.; Zhang, Y. X.; Wang, T. F.; et al. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2201050. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201050

    10. [10]

      Pasini, T.; Piccinini, M.; Blosi, M.; Bonelli, R.; Albonetti, S.; Dimitratos, N.; Lopez-Sanchez, J. A.; Sankar, M.; He, Q.; Kiely, C. J.; et al. Green Chem. 2011, 13, 2091. doi: 10.1039/c1gc15355b

    11. [11]

      Rass, H. A.; Essayem, N.; Besson, M. Green Chem. 2013, 15, 2240. doi: 10.1039/c3gc40727f

    12. [12]

      Zheng, L. F.; Zhao, J. Q.; Du, Z. X.; Zong, B. N.; Liu, H. C. Sci. China Chem. 2017, 60, 950. doi: 10.1007/s11426-016-0489-3

    13. [13]

      Park, M.; Gu, M.; Kim, B. S. ACS Nano 2020, 14, 6812. doi: 10.1021/acsnano.0c00581

    14. [14]

      Chadderdon, X. H.; Chadderdon, D. J.; Pfennig, T.; Shanks, B. H.; Li, W. Z. Green Chem. 2019, 21, 6210. doi: 10.1039/c9gc02264c

    15. [15]

      Cao, G. X.; Chen, Z. J.; Yin, H.; Gan, L. Y.; Zang, M. J.; Xu, N.; Wang, P. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 10338. doi: 10.1039/c9ta00899c

    16. [16]

      Chen, Y. Y.; Zhang, Y.; Zhang, X.; Tang, T.; Luo, H.; Niu, S.; Dai, Z. H.; Wan, L. J.; Hu, J. S. Adv. Mater. 2017, 29, 1703311. doi: 10.1002/adma.201703311

    17. [17]

      An, Y. M.; Long, X.; Ma, M.; J. Hu; Lin, H.; Zhou, D.; Xing, Z.; Huang, B. L.; Yang, S. H. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901454. doi: 10.1002/aenm.201901454

    18. [18]

      Gouda, L.; Sévery, L.; Moehl, T.; Mas-Marzá, E.; Adams, P.; Fabregat-Santiago, F.; Tilley, S. D. Green Chem. 2021, 23, 8061. doi: 10.1039/d1gc02031e

    19. [19]

      Taitt, B. J.; Nam, D. H.; Choi, K. S. ACS Catal. 2018, 9, 660. doi: 10.1021/acscatal.8b04003

    20. [20]

      Gao, F.; He, J. Q.; Wang, H. W.; Lin, J. H.; Chen, R. X.; Yi, K.; Huang, F.; Lin, Z.; Wang, M. Y. Nano Res. Energy 2022, 1, 9120029. doi: 10.26599/nre.2022.9120029

    21. [21]

      Wang, J.; Liao, T.; Wei, Z. Z.; Sun, J. T.; Guo, J. J.; Sun, Z. Q. Small Methods 2021, 5, 2000988. doi: 10.1002/smtd.202000988

    22. [22]

      Zhang, A.; Liang, Y. X.; Zhang, H.; Geng, Z. G.; Zeng, J. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 9817. doi: 10.1039/d1cs00330e

    23. [23]

      Wang, H.; Chen, J. M.; Lin, Y. P.; Wang, X. H.; Li, J. M.; Li, Y.; Gao, L. J.; Zhang, L. B.; Chao, D. L.; Xiao, X.; et al. Adv. Mater. 2021, 33, 2008422. doi: 10.1002/adma.202008422

    24. [24]

      陈驰, 张雪, 周志有, 张新胜, 孙世刚. 物理化学学报, 2017, 33, 1875. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705088Chen, C.; Zhang, X.; Zhou, Z. Y.; Zhang, X. S.; Sun, S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 1875. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705088

    25. [25]

      李家欣, 冯立纲. 电化学, 2022, 28, 2214001. doi: 10.13208/j.electrochem.2214001Li, J. X.; Feng, L. G. J. Electrochem. 2022, 28, 2214001. doi: 10.13208/j.electrochem.2214001

    26. [26]

      Wu, Z. C.; Wang, X.; Huang, J. S.; Gao, F. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 167. doi: 10.1039/c7ta07956g

    27. [27]

      You, B.; Liu, X.; Liu, X.; Sun, Y. J. ACS Catal. 2017, 7, 4564. doi: 10.1021/acscatal.7b00876

    28. [28]

      Ou, J. Z.; Campbell, J. L.; Yao, D.; Wlodarski, W.; Kalantar-Zadeh, K. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 10757. doi: 10.1021/jp202123a

    29. [29]

      Wu, Y. Y.; Li, G. D.; Liu, Y. P.; Yang, L.; Lian, X. R.; Asefa, T.; Zou, X. X. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4839. doi: 10.1002/adfm.201601315

    30. [30]

      Wu, K.; Sun, Y. H.; Liu, J.; Xiong, J. X.; Wu, J. L.; Zhang, J.; Fu, M. L.; Chen, L. M.; Huang, H. M.; Ye, D. Q. J. Hazard. Mater. 2021, 405, 124156. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124156

    31. [31]

      Zhang, X.; Yi, H.; Jin, M. T.; Lian, Q.; Huang, Y.; Ai, Z.; Huang, R. Q.; Zuo, Z. T.; Tang, C. M.; Amini, A.; et al. Small 2022, 18, 2203710. doi: 10.1002/smll.202203710

    32. [32]

      Shen, B. X.; Zhu, S. W.; Zhang, X.; Chi, G. L.; Patel, D.; Si, M.; Wu, C. F. Fuel 2018, 224, 241. doi: 10.1016/j.fuel.2018.03.080

    33. [33]

      Wang, H.; Wang, H. J.; Huang, J. S.; Zhou, X. L.; Wu, Q. X.; Luo, Z. K.; Wang, F. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 44556. doi: 10.1021/acsami.9b13329

    34. [34]

      Guo, F. J.; Zhang, M. Y.; Yi, S. C.; Li, X. X.; Xin, R.; Yang, M.; Liu, B.; Chen, H. B.; Li, H. M.; Liu, Y. J. Nano Res. Energy 2022, 1, 9120027. doi: 10.26599/nre.2022.9120027

    35. [35]

      Yang, C. M.; Wang, C. T.; Zhou, L. H.; Duan, W.; Song, Y. Y.; Zhang, F. C.; Zhen, Y. Z.; Zhang, J. J.; Bao, W. W.; Lu, Y. X.; et al. Chem. Eng. J. 2021, 422, 130125. doi: 10.1016/j.cej.2021.130125

    36. [36]

      Lu, Y. X.; Liu, T. Y.; Dong, C. L.; Huang, Y. C.; Li, Y. F.; Chen, J.; Zou, Y. Q.; Wang, S. Y. Adv. Mater. 2021, 33, 2007056. doi: 10.1002/adma.202007056

    37. [37]

      Sun, Y.; Wang, J.; Qi, Y. F.; Li, W. J.; Wang, C. Adv. Sci. 2022, 9, 2200957. doi: 10.1002/advs.202200957

    38. [38]

      Wang, H. L.; Li, C.; An, J. T.; Zhuang, Y.; Tao, S. Y. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 18421. doi: 10.1039/d1ta05425b

    39. [39]

      Zhou, Z. Y.; Xie, Y. N.; Sun, L. Z.; Wang, Z. M.; Wang, W. K.; Jiang, L. Z.; Tao, X.; Li, L. N.; Li, X. H.; Zhao, G. H. Appl. Catal. B 2022, 305, 121072. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121072

    40. [40]

      Luo, R. P.; Li, Y. Y.; Xing, L. X.; Wang, N.; Zhong, R. Y.; Qian, Z. Y.; Du, C. Y.; Yin, G. P.; Wang, Y. C.; Du, L. Appl. Catal. B 2022, 311, 121357. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121357

    41. [41]

      Gao, L. F.; Bao, Y.; Gan, S. Y.; Sun, Z. H.; Song, Z. Q.; Han, D. X.; Li, F. H.; Niu, L. ChemSusChem 2018, 11, 2547. doi: 10.1002/cssc.201800695

    42. [42]

      Gao, L. F.; Liu, Z. B.; Ma, J. L.; Zhong, L. J.; Song, Z. Q.; Xu, J. A.; Gan, S. Y.; Han, D. X.; Niu, L. Appl. Catal. B 2020, 261, 118235. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118235

    43. [43]

      Zhang, P. L.; Sheng, X.; Chen, X. Y.; Fang, Z. Y.; Jiang, J.; Wang, M.; Li, F. S.; Fan, L. Z.; Ren, Y. S.; Zhang, B. B.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9155. doi: 10.1002/anie.201903936

    44. [44]

      Liu, Q. Q.; Huang, J. F.; Cao, L. Y.; Kajiyoshi, K.; Li, K.; Feng, Y. Q.; Fu, C. L.; Kou, L. J.; Feng, L. L. ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 6222. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b06959.

    45. [45]

      Qiu, Z.; Ma, Y.; Edvinsson, T. Nano Energy 2019, 66, 104118. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104118

    46. [46]

      Yu, T. Q.; Xu, Q. L.; Luo, L.; Liu, C. R.; Yin, S. B. Chem. Eng. J. 2022, 430, 133117. doi: 10.1016/j.cej.2021.133117

    47. [47]

      Wu, T.; Xu, Z. A.; Wang, X. L.; Luo, M. J.; Xia, Y.; Zhang, X. C.; Li, J. T.; Liu, J.; Wang, J. C.; Wang, H. L.; et al. Appl. Catal. B 2023, 323, 122126. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.122126

    48. [48]

      Tong, X.; Li, Y.; Pang, N.; Qu, Y. H.; Yan, C. H.; Xiong, D. Y.; Xu, S. H.; Wang, L. W.; Chu, P. K. Chem. Eng. J. 2021, 425, 130455. doi: 10.1016/j.cej.2021.130455

    49. [49]

      丁明宇, 蒋文杰, 余天琦, 卓小燕, 覃晓静, 尹诗斌. 电化学, 2022, 28, 2214012. doi: 10.13208/j.electrochem.2208121Ding, M. Y.; Jiang, W. J.; Yu, T. Q.; Zhuo, X. Y.; Qin, X. J.; Yin, S. B. J. Electrochem. 2022, 28, 2214012. doi: 10.13208/j.electrochem.2208121

    50. [50]

      Laursen, A. B.; Kegnæs, S.; Dahl, S.; Chorkendorff, I. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 5577. doi: 10.1039/c2ee02618j

    51. [51]

      李孟婷, 郑星群, 李莉, 魏子栋. 物理化学学报, 2021, 37, 2007054. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007054Li, M. T.; Zheng, X. Q.; Li, L.; Wei, Z. D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2007054. doi: 10.3866/PKU.WHXB202007054

    52. [52]

      Zhang, L. Y.; Zheng, Y. J.; Wang, J. C.; Geng, Y.; Zhang, B.; He, J. J.; Xue, J. M.; Frauenheim, T.; Li, M. Small 2021, 17, 2006730. doi: 10.1002/smll.202006730

    53. [53]

      Yang, Y. Q.; Zhang, K.; Lin, H. L.; Li, X.; Chan, H. C.; Yang, L. C.; Gao, Q. S. ACS Catal. 2017, 7, 2357. doi: 10.1021/acscatal.6b03192

    54. [54]

      Wu, X. L.; Han, S.; He, D. H.; Yu, C. L.; Lei, C. J.; Liu, W.; Zheng, G. K.; Zhang, X. W.; Lei, L. C. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 8672. doi: 10.1021/acssuschemeng.8b00968

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  12
  • 文章访问数:  4257
  • HTML全文浏览量:  185
文章相关
  • 发布日期:  2023-12-15
  • 收稿日期:  2023-01-24
  • 接受日期:  2023-04-06
  • 修回日期:  2023-04-03
  • 网络出版日期:  2023-04-13
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章