吸附法制备金属/碳催化剂用于5-羟基甲基糠醛高效电催化氧化的研究

doi:10.7503/cjcu20220631

摘要/Abstract

摘要：

以介孔中空碳球(HC)为载体, 通过简单的吸附法吸附Ni²⁺/Fe³⁺金属离子, 获得了在碱性电解液中具有高效5-羟基甲基糠醛(HMF)电催化氧化性能的Ni _x Fe_1‒_x /HC催化剂. 通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对Ni _x Fe_1‒_x /HC的物相、形貌结构及电子结构进行了表征, 并通过线性扫描伏安和计时电位等方法测试了Ni _x Fe_1‒_x /HC的HMF电催化氧化性能．结果显示, Ni _x Fe_1‒_x /HC材料催化HMF氧化的活性随Fe引入量的增加先升高后降低, Ni_0.7Fe_0.3/HC拥有最优的催化活性, HMF的转化率为100%, 2,5-呋喃二甲酸(FDCA)的选择性为90.5%, 法拉第效率为90.2%, 经历10次循环后, 催化活性仅略微降低, 表现出优良的催化稳定性.

关键词: 5-羟基甲基糠醛氧化, 介孔中空碳球, 镍基催化剂, 电催化转化

Abstract:

A simple adsorption method has been developed to prepare highly efficient electrocatalysts（Ni _x Fe_1‒_x /HC） for 5-hydroxymethylfurfural（HMF） oxidation using mesoporous hollow carbon spheres（HC） as the carrier. X-ray diffraction（XRD）， field emission scanning electron microscopy（SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） and other characterizations were applied to characterize the phases， structural morphologies and electronic structures of the obtained Ni _x Fe_1‒_x /HC catalysts. Linear sweep voltammetry， chronopotentiometry were used to evaluated the electrocatalytic activities of HMF oxidation of Ni _x Fe_1‒_x /HC. The results show that the catalytic activity of Ni _x Fe_1‒_x /HC catalysts increases first and then decreases with the increase of introduction amount of Fe. Among them， Ni_0.7Fe_0.3/HC show the best catalytic activity. The conversion of HMF is as high as 100%， the selectivity of 2，5-furandicarboxylic acid（FDCA） is 90.5%， and the Faradaic efficiency is 90.2%. Even after 10 cycles， the catalytic activity of Ni_0.7Fe_0.3/HC was only slightly reduced， exhibiting excellent catalytic stability.

Key words: HMF oxidation, Mesoporous hollow carbon, Ni-based catalyst, Electrocatalytic conversion

中图分类号:

O646

TrendMD:

刘至辰, 张宏伟, 张博稳, 陈鹏, 袁珮. 吸附法制备金属/碳催化剂用于5-羟基甲基糠醛高效电催化氧化的研究. 高等学校化学学报, 2023, 44(1): 20220631.

LIU Zhichen, ZHANG Hongwei, ZHANG Bowen, CHEN Peng, YUAN Pei. Facile Synthesis of Metal/Carbon Electrocatalysts via Adsorption for Efficient Electrocatalytic Oxidation of HMF. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220631.

图/表 7

Fig.1 SEM image(A), TEM image(B), N2 adsorption⁃desorption isotherms(C) and pore size distribution(D) of HC

Fig.2 XRD patterns of HC and Ni x Fe1‒x /HC(A), Ni x Fe1‒x /HC before and after soaking in 1 mol/L KOH(B), XPS spectra of Ni2p of Ni x Fe1‒x /HC after soaking in 1 mol/L KOH(C)

Fig.3 Nitrogen adsorption⁃desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of Ni0.7Fe0.3/HC before(a) and after(b) soaking in 1 mol/L KOH

Fig.4 SEM images of Ni/HC(A), Ni0.7Fe0.3/HC(B), Ni0.6Fe0.4/HC(C), Ni0.5Fe0.5/HC(D) and Ni/HC(E), Ni0.7Fe0.3/HC(F), Ni0.6Fe0.4/HC(G), Ni0.5Fe0.5/HC(H) NixFe1-x/HC after soaking in 1 mol/L KOH

Fig.5 TEM and HRTEM images of Ni0.7Fe0.3/HC(A, B), Ni0.7Fe0.3/HC after soaking in 1 mol/L KOH(C, D), high angle annular dark field(E) and EDX mapping images of Ni0.7Fe0.3/HC after soaking in 1 mol/L KOH(F—I)

Fig.6 LSV curves(A) and Tafel slopes(B) of Ni x Fe1‒x /HC in 1 mol/L KOH with 10 mmol/L HMF

Fig.7 HPLC chromatogram(A) and the concentration change of the HMF and its oxidation products at different charges passed catalyzed by Ni0.7Fe0.3/HC(B), the HMF conversion, FDCA selectivity and Faradaic efficiency for Ni x Fe1‒x /HC(C), the catalytic stability of Ni0.7Fe0.3/HC(D)

参考文献 32

1	Tuck C. O.， Perez E.， Horvath I. T.， Sheldon R. A.， Poliakoff M.， Science， 2012， 337（6095）， 695—699
2	Li Z. L.， Garedew M.， Lam C. H.， Jackson J. E.， Miller D. J.， Saffron C. M.， Green Chem.， 2012， 14（9）， 2540—2549
3	You B.， Jiang N.， Liu X.， Sun Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（34）， 9913—9917
4	You B.， Liu X.， Jiang N.， Sun Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（41）， 13639—13646
5	Staffell I.， Scamman D.， Velazquez Abad A.， Balcombe P.， Dodds P. E.， Ekins P.， Shah N.， Ward K. R.， Energy Environ. Sci.， 2019， 12（2）， 463—491
6	Zhang N. N.， Zou Y. Q.， Tao L.， Chen W.， Zhou L.， Liu Z. J.， Zhou B.， Huang G.， Lin H.， Wang S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（44）， 15895—15903
7	Lu Y. X.， Dong C. L.， Huang Y. C.， Zou Y.， Liu Z.， Liu Y.， Li Y.， He N.， Shi J.， Wang S.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2020， 59（43）， 19215—19221
8	Rajendran S.， Raghunathan R.， Hevus I.， Krishnan R.， Ugrinov A.， Sibi M. P.， Webster D. C.， Sivaguru J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2015， 54（4）， 1159—1163
9	Yang Y.， Mu T.， Green Chem.， 2021， 23（12）， 4228—4254
10	van Putten R. J.， van der Waal J. C.， de Jong E.， Rasrendra C. B.， Heeres H. J.， de Vries J. G.， Chem. Rev.， 2013， 113（3）， 1499—1597
11	Chen C. L.， Wang L. C.， Zhu B.， Zhou Z. Q.， El⁃Hout S. I.， Yang J.， Zhang J.， J. Energy Chem.， 2021， 54， 528—554
12	Zhao Y.， Cai M.， Xian J.， Sun Y.， Li G.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（36）， 20164—20183
13	Deng C.， Toe C. Y.， Li X.， Tan J.， Yang H.， Hu Q.， He C.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12（25）， 2201047
14	Zhang J. W.， Yu P. L， Zeng G. M.， Bao F. X.， Yuan Y. L.， Huang H. W.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（15）， 9685—9691
15	Gao L. F.， Gan S. Y.， Ma J. L.， Sun Z. H.， Liu Z.， Zhong L. B.， Zhou K. J.， Han F. J.， Wang W.， Han D.， Niu L.， ChemElectroChem， 2020， 7（20）， 4251—4258
16	Luo Q. M.， Zhao Y. W.， Qi Y. Y.， Xin H. Q.， Wang C.， Chen G.， Sun J.， Liu M.， Xu K.， Ma F.， Nanoscale， 2020， 12（25）， 13708—13718
17	Deng X. H.， Xu G. Y.， Zhang Y. J.， Wang L.， Zhang J.， Li J. F.， Fu X. Z.， Luo J. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（37）， 20535—20542
18	Chen H.， Wang J. T.， Yao Y.， Zhang Z. H.， Yang Z. Z.， Li J.， Chen K. Q.， Lu X. Y.， Ouyang P. K.， Fu J.， ChemElectroChem， 2019， 6（23）， 5797—5801
19	Wang J. M.， Zhao Z.， Shen C.， Liu H. P.， Pang X. Y.， Gao M. Q.， Mu J.， Cao F.， Li G. Q.， Catal. Sci. Technol.， 2021， 11（7）， 2480—2490
20	Lu X. Y.， Wu K. H.， Zhang B.， Chen J.， Li F.， Su B. J.， Yan P.， Chen J. M.， Qi W.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2021， 60（26）， 14528—14535
21	Yang G. C.， Jiao Y. Q.， Yan H. J.， Xie Y.， Wu A. P.， Dong X.， Guo D. Z.， Tian C. G.， Fu H. G.， Adv. Mater.， 2020， 32（17）， e2000455
22	Duraisamy V.， Krishnan R.， Senthil Kumar S. M.， ACS Appl. Nano Mater.， 2020， 3（9）， 8875—8887
23	Xie L.， Yan M.， Liu T. Y.， Gong K.， Luo X.， Qiu B. L.， Zeng J.， Liang Q. R.， Zhou S.， He Y. J.， Zhang W.， Jiang Y. L.， Yu Y.， Tang J. Y.， Liang K.， Zhao D. Y.， Kong B.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（4）， 1634—1646
24	Cantu D. C.， Padmaperuma A. B.， Nguyen M. T.， Akhade S. A.， Yoon Y.， Wang Y. G.， Lee M. S.， Glezakou V. A.， Rousseau R.， Lilga M. A.， ACS Catal.， 2018， 8（8）， 7645—7658
25	Huo J. M.， Wang Y.， Meng J.， Zhao X. Y.， Zhai Q. G.， Jiang Y. C.， Hu M. C.， Li S. N.， Chen Y.， J. Mater. Chem. A， 2022， 10（4）， 1815—1820
26	Zhou Y. N.， Wang F. L.， Dou S. Y.， Shi Z. N.， Dong B.， Yu W. L.， Zhao H. Y.， Wang F. G.， Yu J. F.， Chai Y. M.， J. Mater. Chem. A， 2022， 427， 131643
27	Sun Z. M.， Yuan M. W.， Shi K. F.， Liu Y. H.， Wang D.， Nan C. Y.， Li H. F.， Sun G. B.， Yang X. J.， Chem. Eur. J.， 2020， 26（32）， 7244—7249
28	Burke M. S.， Enman L. J.， Batchellor A. S.， Zou S.， Boettcher S. W.， Chem. Mat.， 2015， 27（22）， 7549—7558
29	Taitt B. J.， Nam D. H.， Choi K. S.， ACS Catal.， 2019， 9（1）， 660—670
30	Wang H. L.， Zhou Y. M.， Tao S. Y.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 315， 121588
31	Hu C. J.， Hu Y. F.， Fan C. H， Yang L.， Zhang Y. T， Li H. X.， Xie W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（36）， 19774—19778
32	Zhou Y. Y.， Shen Y.， Li H. Y.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 317， 121776

[1]	王雅芝, 贾显枝, 张宏港, 刘璐, 赵彬然. 介质阻挡放电等离子制备5Ni-5La/SiO₂催化剂及其甲烷干重整反应催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(2): 20220503.
[2]	吴昊, 王长真, 仇媛, 田亚妮, 赵永祥. Ni-SiO₂催化剂空间限域维度对CH₄-CO₂重整反应金属抗积碳能力的影响[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2488.
[3]	李雁斌, 徐莹, 马隆龙, 张琦, 王铁军, 陈冠益, 张丽敏. 邻甲酚液相原位加氢反应[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(12): 2654.
[4]	孔韡, 张兴华, 张琦, 王铁军, 马隆龙, 陈冠益. 复合氧化物负载的Ni基催化剂上愈创木酚加氢脱氧性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(12): 2806.
[5]	郭芳, 储伟, 石新雨, 张旭. 等离子体引入方式对强化制备二氧化碳重整甲烷反应的Ni/γ-Al₂O₃催化剂的影响[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(4): 746.
[6]	冉茂飞, 储伟, 文婕, 李延芳. 助剂铬对Ni/MgO催化剂CVD法制备碳纳米管的促进作用[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(2): 231.