镍钒水滑石电极用于可放大电催化5-羟甲基糠醛氧化耦合产氢

李美然 宋英杰 万鑫 李洋 罗毅奇 贺业亨 夏博文 周华 邵明飞

引用本文: 李美然, 宋英杰, 万鑫, 李洋, 罗毅奇, 贺业亨, 夏博文, 周华, 邵明飞. 镍钒水滑石电极用于可放大电催化5-羟甲基糠醛氧化耦合产氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(9): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306007 shu
Citation:  Meiran Li,  Yingjie Song,  Xin Wan,  Yang Li,  Yiqi Luo,  Yeheng He,  Bowen Xia,  Hua Zhou,  Mingfei Shao. Nickel-Vanadium Layered Double Hydroxides for Efficient and Scalable Electrooxidation of 5-Hydroxymethylfurfural Coupled with Hydrogen Generation[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(9): 230600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306007 shu

镍钒水滑石电极用于可放大电催化5-羟甲基糠醛氧化耦合产氢

    通讯作者: 周华,Email:hzhou@buct.edu.cn; 邵明飞,Email:shaomf@mail.buct.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(22090030,22090031,22288102)和中央高校基本业务费(buctrc202211)资助项目

摘要: 可再生能源驱动的电催化水裂解是获取绿氢的重要途径,但受到缓慢的阳极析氧反应(OER)限制。使用热力学有利的5-羟甲基糠醛氧化反应(HMFOR)代替OER的电解水制氢耦合氧化策略提供了一种降低能耗的有效策略,同时可以生产高附加值的有机含氧化合物,如2,5-呋喃二甲酸(FDCA)。在该领域,大量工作集中于催化剂工程以获得更好的催化活性和产物选择性。然而,很少有研究关注到5-羟甲基糠醛(HMF)的规模化氧化制备FDCA。为此,我们合成了一种镍钒水滑石(NiV-LDH)催化剂用于高效HMFOR,在1.52 V vs. RHE (可逆氢电极)下,电流密度达到100 mA∙cm−2 FDCA的法拉第效率高达94.6%。与OER相比,HMFOR将对应的氢气生产率提高了两倍。作为概念验证,我们使用流动反应器展示了连续且可规模化的HMFOR,在10 A条件下,实现了94.8%的高HMF单程转化率和98.5%的高FDCA选择性。

English

    1. [1]

      (1) Lagadec, M. F.; Grimaud, A. Nat. Mater. 2020, 19, 1140. doi: 10.1038/s41563-020-0788-3(1) Lagadec, M. F.; Grimaud, A. Nat. Mater. 2020, 19, 1140. doi: 10.1038/s41563-020-0788-3

    2. [2]

      (2) Lu, Y.; Liu, T.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Li, Y.; Chen, J.; Zou, Y.; Wang, S. Adv. Mater. 2021, 33, 2007056. doi: 10.1002/adma.202007056(2) Lu, Y.; Liu, T.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Li, Y.; Chen, J.; Zou, Y.; Wang, S. Adv. Mater. 2021, 33, 2007056. doi: 10.1002/adma.202007056

    3. [3]

      (3) Wang, A.; Chen, J.; Zhang, P.; Tang, S.; Feng, Z.; Yao, T.; Li, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (4), 2301023. [王奥琦, 陈军, 张鹏飞, 唐珊, 冯兆池, 姚婷婷, 李灿. 物理化学学报, 2023, 39 (4), 2301023.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202301023

    4. [4]

      (4) Xu, S.; Wu, Q.; Lu, B.; Tang, T.; Zhang, J.; Hu. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (2), 2209001. [徐斯然, 吴奇, 卢帮安, 唐堂, 张佳楠, 胡劲松. 物理化学学报, 2023, 39 (2), 2209001.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202209001

    5. [5]

      (5) Verma, S.; Lu, S.; Kenis, P. J. A. Nat. Energy 2019, 4, 466. doi: 10.1038/s41560-019-0374-6(5) Verma, S.; Lu, S.; Kenis, P. J. A. Nat. Energy 2019, 4, 466. doi: 10.1038/s41560-019-0374-6

    6. [6]

      (6) Wei, X.; Li, Y.; Chen, L. Shi; J. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 3148. doi: 10.1002/anie.202012066(6) Wei, X.; Li, Y.; Chen, L. Shi; J. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 3148. doi: 10.1002/anie.202012066

    7. [7]

      (7) Sherbo, R. S.; Delima; R. S; Chiykowski, V. A.; MacLeod, B. P.; Berlinguette, C. P. Nat. Catal. 2018, 1, 501. doi: 10.1038/s41929-018-0083-8(7) Sherbo, R. S.; Delima; R. S; Chiykowski, V. A.; MacLeod, B. P.; Berlinguette, C. P. Nat. Catal. 2018, 1, 501. doi: 10.1038/s41929-018-0083-8

    8. [8]

      (8) You, B.; Liu, X.; Jiang, N.; Sun, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13639. doi: 10.1021/jacs.6b07127(8) You, B.; Liu, X.; Jiang, N.; Sun, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13639. doi: 10.1021/jacs.6b07127

    9. [9]

      (9) Song, Y.; Ji, K.; Duan, H.; Shao, M. Exploration 2021, 1 (3), 20210050. doi: 10.1002/EXP.20210050(9) Song, Y.; Ji, K.; Duan, H.; Shao, M. Exploration 2021, 1 (3), 20210050. doi: 10.1002/EXP.20210050

    10. [10]

      (10) Wang, T.; Tao, L.; Zhu, X.; Chen, C.; Chen, W.; Du, S.; Zhou, Y.; Zhou, B.; Wang, D.; Xie, C.; et al. Nat. Catal. 2022, 5, 66. doi: 10.1038/s41929-021-00721-y(10) Wang, T.; Tao, L.; Zhu, X.; Chen, C.; Chen, W.; Du, S.; Zhou, Y.; Zhou, B.; Wang, D.; Xie, C.; et al. Nat. Catal. 2022, 5, 66. doi: 10.1038/s41929-021-00721-y

    11. [11]

      (11) Huang, Y.; Chong, X.; Liu, C.; Liang, Y.; Zhang, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 13163. doi: 10.1002/anie.201807717(11) Huang, Y.; Chong, X.; Liu, C.; Liang, Y.; Zhang, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 13163. doi: 10.1002/anie.201807717

    12. [12]

      (12) Wu, J.; Xu, L.; Li, Y.; Dong, C.-L.; Lu, Y.; Nga, T. T. T.; Kong, Z.; Li, S.; Zou, Y.; Wang, S. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 23649. doi: 10.1021/jacs.2c11153(12) Wu, J.; Xu, L.; Li, Y.; Dong, C.-L.; Lu, Y.; Nga, T. T. T.; Kong, Z.; Li, S.; Zou, Y.; Wang, S. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 23649. doi: 10.1021/jacs.2c11153

    13. [13]

      (13) Lin, K.; Xia, A.; Huang, Y.; Zhu, X.; Zhu, X.; Cai, K.; Wei, Z.; Liao, Q. 2023, 374, 128775. doi: 10.1016/j.biortech.2023.128775(13) Lin, K.; Xia, A.; Huang, Y.; Zhu, X.; Zhu, X.; Cai, K.; Wei, Z.; Liao, Q. 2023, 374, 128775. doi: 10.1016/j.biortech.2023.128775

    14. [14]

      (14) Xia, A.; Lin, K.; Cai, K.; Wei, Z.; Liao, Q. Green Chem. 2022, 24 (24), 9519. doi: 10.1039/D2GC02965K(14) Xia, A.; Lin, K.; Cai, K.; Wei, Z.; Liao, Q. Green Chem. 2022, 24 (24), 9519. doi: 10.1039/D2GC02965K

    15. [15]

      (15) Teng, J.; Xu, G.; Fu,Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (10), 2204031 [滕嘉楠, 许光月, 傅尧. 物理化学学报, 2022, 38 (10), 2204031.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202204031

    16. [16]

      (16) Zheng, S.; Wu, J.; Wang, K.; Hu, M.; Wen, H.; Yin, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2301032. [郑书逸, 吴佳, 王可, 胡梦晨, 文欢, 尹诗斌. 物理化学学报, 2023, 39, 2301032.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202301032

    17. [17]

      (17) He, Z.; Hwang, J.; Gong, Z.; Zhou, M.; Zhang, N.; Kang, X.; Han, J. W.; Chen, Y. Nat. Commun. 2022, 13, 3777. doi: 10.1038/s41467-022-31484-0(17) He, Z.; Hwang, J.; Gong, Z.; Zhou, M.; Zhang, N.; Kang, X.; Han, J. W.; Chen, Y. Nat. Commun. 2022, 13, 3777. doi: 10.1038/s41467-022-31484-0

    18. [18]

      (18) Song, Y.; Xie, W.; Song, Y.; Li, H.; Li, S.; Jiang, S.; Lee, J. Y.; Shao, M. Appl. Catal. B-Environ 2022, 312, 121400. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121400(18) Song, Y.; Xie, W.; Song, Y.; Li, H.; Li, S.; Jiang, S.; Lee, J. Y.; Shao, M. Appl. Catal. B-Environ 2022, 312, 121400. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121400

    19. [19]

      (19) Yang, 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 (12), 2201050. [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 (12), 2201050.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202201050

    20. [20]

      (20) Liu, W.-J.; Dang, L.; Xu, Z.; Yu, H.-Q.; Jin, S.; Huber, G. W. ACS Catal. 2018, 8, 5533. doi: 10.1021/acscatal.8b01017(20) Liu, W.-J.; Dang, L.; Xu, Z.; Yu, H.-Q.; Jin, S.; Huber, G. W. ACS Catal. 2018, 8, 5533. doi: 10.1021/acscatal.8b01017

    21. [21]

      (21) Chen, W.; Xie, C.; Wang, Y.; Zou, Y.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Xiao, Z.; Wei, Z.; Du, S.; Chen, C.; et al. Chem 2020, 6, 2974. doi: 10.1016/j.chempr.2020.07.022(21) Chen, W.; Xie, C.; Wang, Y.; Zou, Y.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Xiao, Z.; Wei, Z.; Du, S.; Chen, C.; et al. Chem 2020, 6, 2974. doi: 10.1016/j.chempr.2020.07.022

    22. [22]

      (22) Song, Y.; Li, Z.; Fan, K.; Ren, Z.; Xie, W.; Yang, Y.; Shao, M.; Wei, M. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 299, 120669. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120669(22) Song, Y.; Li, Z.; Fan, K.; Ren, Z.; Xie, W.; Yang, Y.; Shao, M.; Wei, M. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 299, 120669. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120669

    23. [23]

      (23) Liu, B.; Xu, S.; Zhang, M.; Li, X.; Decarolis, D.; Liu, Y.; Wang, Y.; Gibson, E. K.; Catlow, C. R. A.; Yan, K.; et al. Green Chem., 2021, 23 (11), 4034. doi: 10.1039/d1gc00901j(23) Liu, B.; Xu, S.; Zhang, M.; Li, X.; Decarolis, D.; Liu, Y.; Wang, Y.; Gibson, E. K.; Catlow, C. R. A.; Yan, K.; et al. Green Chem., 2021, 23 (11), 4034. doi: 10.1039/d1gc00901j

    24. [24]

      (24) Huang, X.; Song, J.; Hua, M.; Xie, Z.; Liu, S.; Wu, T.; Yang, G.; Han, B. Green Chem. 2020, 22, 843. doi: 10.1039/c9gc03698a(24) Huang, X.; Song, J.; Hua, M.; Xie, Z.; Liu, S.; Wu, T.; Yang, G.; Han, B. Green Chem. 2020, 22, 843. doi: 10.1039/c9gc03698a

    25. [25]

      (25) Yang, G.; Jiao, Y.; Yan, H.; Xie, Y.; Wu, A.; Dong, X.; Guo, D.; Tian, C.; Fu, H. Adv. Mater. 2020, 32, 2000455. doi: 10.1002/adma.202000455(25) Yang, G.; Jiao, Y.; Yan, H.; Xie, Y.; Wu, A.; Dong, X.; Guo, D.; Tian, C.; Fu, H. Adv. Mater. 2020, 32, 2000455. doi: 10.1002/adma.202000455

    26. [26]

      (26) Shao, M.; Ning, F.; Zhao, J.; Wei, M.; Evans, D. G.; Duan, X. Adv. Funct. Mater. 2013, 23 (28), 3513. doi: 10.1002/adfm.201202825(26) Shao, M.; Ning, F.; Zhao, J.; Wei, M.; Evans, D. G.; Duan, X. Adv. Funct. Mater. 2013, 23 (28), 3513. doi: 10.1002/adfm.201202825

    27. [27]

      (27) Li, Z.; Duan, H.; Shao, M.; Li, J.; O'Hare, D.; Wei, M.; Wang, Z. L. Chem 2018, 4 (9), 2168. doi: 10.1016/j.chempr.2018.06.007(27) Li, Z.; Duan, H.; Shao, M.; Li, J.; O'Hare, D.; Wei, M.; Wang, Z. L. Chem 2018, 4 (9), 2168. doi: 10.1016/j.chempr.2018.06.007

    28. [28]

      (28) Liu, Y. Y.; Wang, Y. C., Yan, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39 (2), 2205028. [刘瑶钰, 王宇辰, 严凯. 物理化学学报, 2023, 39 (2), 2205028.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202205028

    29. [29]

      (29) Zhang, M.; Liu, Y.; Liu, B.; Chen, Z.; Xu, H.; Yan, K. ACS Catal. 2020, 10, 5179. doi: 10.1021/acscatal.0c00007(29) Zhang, M.; Liu, Y.; Liu, B.; Chen, Z.; Xu, H.; Yan, K. ACS Catal. 2020, 10, 5179. doi: 10.1021/acscatal.0c00007

    30. [30]

      (30) Lee, S.; Bai, L.; Hu, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8072. doi: 10.1002/anie.201915803(30) Lee, S.; Bai, L.; Hu, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8072. doi: 10.1002/anie.201915803

    31. [31]

      (31) Chavan, H. S.; Lee, C. H.; Inamdar, A. I.; Han, J.; Park, S.; Cho, S.; Shreshta, N. K.; Lee, S. U.; Hou, B.; Im, H.; et al. ACS Catal. 2022, 12, 3821. doi: 10.1021/acscatal.1c05813(31) Chavan, H. S.; Lee, C. H.; Inamdar, A. I.; Han, J.; Park, S.; Cho, S.; Shreshta, N. K.; Lee, S. U.; Hou, B.; Im, H.; et al. ACS Catal. 2022, 12, 3821. doi: 10.1021/acscatal.1c05813

    32. [32]

      (32) Lu, Y.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Zou, Y.; Liu, Z.; Liu, Y.; Li, Y.; He, N.; Shi, J.; Wang, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19215. doi: 10.1002/anie.202007767(32) Lu, Y.; Dong, C.-L.; Huang, Y.-C.; Zou, Y.; Liu, Z.; Liu, Y.; Li, Y.; He, N.; Shi, J.; Wang, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 19215. doi: 10.1002/anie.202007767

    33. [33]

      (33) Zhang, N.; Zou, Y.; Tao, L.; Chen, W.; Zhou, L.; Liu, Z.; Zhou, B.; Huang, G.; Lin, H.; Wang, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15895. doi: 10.1002/anie.201908722(33) Zhang, N.; Zou, Y.; Tao, L.; Chen, W.; Zhou, L.; Liu, Z.; Zhou, B.; Huang, G.; Lin, H.; Wang, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15895. doi: 10.1002/anie.201908722

    34. [34]

      (34) Zhu, Y.-Q.; Zhou, H.; Dong, J.; Xu, S.-M.; Xu, M.; Zheng, L.; Xu, Q.; Ma, L.; Li, Z.; Shao, M.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202219048. doi: 10.1002/anie.202219048(34) Zhu, Y.-Q.; Zhou, H.; Dong, J.; Xu, S.-M.; Xu, M.; Zheng, L.; Xu, Q.; Ma, L.; Li, Z.; Shao, M.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202219048. doi: 10.1002/anie.202219048

    35. [35]

      (35) Wang, C.; Wu, Y.; Bodach, A.; Krebs, M. L.; Schuhmann, W.; Schüth, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215804. doi: 10.1002/anie.202215804(35) Wang, C.; Wu, Y.; Bodach, A.; Krebs, M. L.; Schuhmann, W.; Schüth, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202215804. doi: 10.1002/anie.202215804

    36. [36]

      (36) Wöllner, S.; Nowak, T.; Zhang, G.-R.; Rockstroh, N.; Ghanem, H.; Rosiwal, S.; Brückner, A.; Etzold, B. J. M. ChemistryOpen 2021, 10, 600. doi: 10.1002/open.202100072(36) Wöllner, S.; Nowak, T.; Zhang, G.-R.; Rockstroh, N.; Ghanem, H.; Rosiwal, S.; Brückner, A.; Etzold, B. J. M. ChemistryOpen 2021, 10, 600. doi: 10.1002/open.202100072

    37. [37]

      (37) Krebs, M. L.; Bodach, A.; Wang, C. L.; Schueth, F. Green Chem. 2023, 25, 1797. doi: 10.1039/d2gc04732b(37) Krebs, M. L.; Bodach, A.; Wang, C. L.; Schueth, F. Green Chem. 2023, 25, 1797. doi: 10.1039/d2gc04732b

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  601
  • HTML全文浏览量:  82
文章相关
  • 发布日期:  2023-08-07
  • 收稿日期:  2023-06-02
  • 接受日期:  2023-07-20
  • 修回日期:  2023-07-07
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