光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化的研究进展

doi:10.7503/cjcu20210683

摘要/Abstract

摘要：

生物质醇/醛是一类重要的生物基平台化合物, 通过催化氧化重整可将其进一步转化为高值含氧化学品或燃料. 太阳能驱动的光电催化技术是实现生物质醇/醛氧化最为绿色高效的途径之一. 与传统光电解水制氢相比, 利用生物质醇/醛氧化来替代阳极析氧过程不仅可以提高阳极产物的附加值, 同时可以提升太阳能到氢能的转化效率. 因此, 光电解水制氢耦合生物质醇/醛氧化对绿氢提效降本和高值化学品合成具有重要意义. 本文综合评述了光电解水制氢耦合生物质醇/醛的氧化反应机理, 总结了目前光电催化技术在生物质醇/醛氧化方面的研究进展, 最后对该领域所面临的机遇和挑战进行了展望.

关键词: 光电解水, 生物质, 催化氧化, 制氢, 耦合反应

Abstract:

Biomass-derived alcohol/aldehydes are important platform compounds， which can be further converted into high-value-added chemicals or fuels through catalytic oxidation. Photoelectrocatalytic（PEC） technology driven by solar energy is one of the most green and efficient ways to realize the oxidation of biomass-derived alcohol/aldehydes. Compared with the traditional PEC water splitting process to produce both O₂ and H₂， the use of PEC oxidation of biomass-derived alcohol/aldehydes instead of anodic oxygen evolution process can not only increase the value of anodic products， but also improve the conversion efficiency of solar energy to hydrogen， which is of great significance for H₂ production and high value chemical synthesis. In this review， we introduce the reaction mechanism of PEC H₂ production coupled with biomass-derived alcohol/aldehyde oxidation， and summarize the recent progress in PEC oxidation of biomass-derived alcohol/aldehydes. Moreover， the opportunities and challenges in this field are also prospected.

Key words: Photoelectrochemical water splitting, Biomass, Catalytic oxidation, Hydrogen production, Coupling reaction

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 6

Scheme 1 Schematic illustration of PEC H2 production coupled with biomass?derived alcohol/aldehyde oxidation

Fig.1 Methanol oxidation reaction path(A), shuttered LSV curves of WO3 photoanode in 1 mol/L H2SO4(black) and 1 mol/L n(H2SO4)/n(CH3OH)=8∶2(red)(B)[31], mechanism of methanol PEC oxidation on α?Fe2O3 photoanode(C)[32](B) The incident irradiance is 0.120 W/cm2. Copyright 2011, American Chemical Society.

Fig.2 Ethanol oxidation reaction path(A), mechanism of ethanol PEC oxidation on WO3 photoanode(B)[43] and variation of the photoelectrocatalytic hydrogen production rate by applying various electric biases(C)[46](C) Biases are marked on the graph, and they are expressed in volts vs. Ag/AgCl electrode. The two curves correspond to the two photoanodes. Copyright 2019, Multidisciplinary Digital Publishing Institute.

Fig.3 Glycerin oxidation reaction path(A), production rate of glycerol oxidation products on BiVO4 photoanode at pH of 2, 5, and 7(B) and selectivity of DHA produced in an H?type cell at pH = 2, 5, and 7(C)[55](B, C) Copyright 2019, Springer Nature.

Fig.4 Reaction pathway of HMF oxidation to FDCA(A) and TEMPO?mediated PEC oxidation of HMF(B)[66]

Fig.5 Schematic illustration for the PEC benzyl alcohol oxidation process(A)[76], benzyl alcohol(BA) conversion as a function of charge passed during the PEC oxidation of BA on BiVO4(BVO), G@Co3O4@BVO, and G@U?LDH@BVO photoanodes under illumination(AM 1.5G, 100 mW/cm2) at 1.2 V(vs. RHE) for 4 h(B)[77] and PEC oxidation of other aromatic alcohol on BiVO4 /WO3(C)[79](B) Copyright 2020, American Chemical Society.

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