P-NiCoMo-LDH电催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-呋喃二甲酸的性能

doi:10.7503/cjcu20250126

摘要/Abstract

摘要：

近年来, 催化氧化5-羟甲基糠醛(5-HMF)合成2,^{5-呋喃二甲酸(FDCA)的研究备受关注. 与传统热催化方法相比, 电催化5-HMF氧化具有反应条件温和、环境污染小等优势, 被认为是一种绿色可持续的替代方案. 本文通过溶剂热与高温煅烧两步法制备了具有独特海胆状形貌的P-NiCoMo-LDH材料, 并研究了其在电催化 5-HMF氧化制备FDCA反应中的催化性能. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对材料的组成、结构和表面化学性质进行了表征；同时, 利用线性扫描伏安(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)等方法评估了其电化学性能. 结果表明, 该催化剂展现出优异的电化学性能和催化性能, 在1.5 V(vs. RHE)电位下进行5-HMF氧化反应时, FDCA产率可达93.2%, 法拉第效率可达89.7%, 与未掺杂P的NiCoMo-LDH相比, 分别上升了44.3%和40.5%. 通过反应机理的探究和稳定性测试, 进一步揭示了P-NiCoMo-LDH材料的催化机制及其在FDCA合成中的应用潜力.}

关键词: 5-羟甲基糠醛, 2,^{5-呋喃二甲酸,} 金属纳米材料, 电催化氧化, 生物质

Abstract:

Recently years， research on the catalytic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural（5-HMF） to synthesize 2，5-furandicarboxylic acid（FDCA） has garnered significant attention. Compared with conventional thermal catalytic methods， electrocatalytic oxidation of 5-HMF offers advantages such as mild reaction conditions and reduced environmental pollution， making it a promising green and sustainable alternative. A P-doped NiCoMo-layered double hydroxide（P-NiCoMo-LDH） material with a unique sea urchin-like morphology was synthesized via a two-step process involving solvothermal treatment followed by high-temperature calcination. Its catalytic performance in the electrocatalytic oxidation of 5-HMF to FDCA was systematically investigated. The composition， structure， and surface chemical properties of the material were characterized by X-ray diffraction（XRD）， scanning electron microscopy（SEM）， transmission electron microscopy（TEM）， and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. Additionally， its electrochemical performance was evaluated through linear sweep voltammetry（LSV） and electrochemical impedance spectroscopy（EIS）. The results demonstrate that the catalyst exhibits outstanding electrochemical and catalytic performance. At an applied potential of 1.5 V（vs. RHE）， the FDCA yield reaches 92.3%， with a Faradaic efficiency of 90.5%. Compared to undoped NiCoMo-LDH， these values represent increases of 44.3% and 40.5%， respectively. Furthermore， mechanistic studies and stability tests provide deeper insights into the catalytic mechanism of the P-NiCoMo-LDH material and its potential for FDCA synthesis.

Key words: 5-Hydroxymethylfurfural, 2, 5-Furandicarboxylic acid, Metalnanomaterials, Electrocatalytic oxidation, Biomass

中图分类号:

O646

TrendMD:

惠辰洋, 徐晨晖, 杨洋, 刘佳伦, 李亚太, 郭振国, 杨真真, 张根磊. P-NiCoMo-LDH电催化5-羟甲基糠醛氧化制备2,5-呋喃二甲酸的性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(8): 20250126.

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图/表 10

Fig.1 SEM(A), TEM(B) and HRTEM(C—E) images of P⁃NiCoMo⁃LDH

Fig.2 TEM image(A), elemental mapping images of Co(B), Mo(C), Ni(D) and P(E) of P⁃NiCoMo⁃LDH

Fig.3 XRD patterns of NiCoMo⁃LDH and P⁃NiCoMo⁃LDH

Fig.4 Survey(A), Ni2p (B), Co2p (C), Mo3d (D), O1s (E) and P2p (F) XPS spectra of P⁃NiCoMo⁃LDH and NiCoMo⁃LDH

Fig.5 LSV curves(A, B) of NiCoMo⁃LDH with HMF, NiCoMo⁃LDH, P⁃NiCoMo⁃LDH with HMF, P⁃NiCoMo⁃LDH, Tafel slope(C) and EIS spectra(D) of P⁃NiCoMo⁃LDH and NiCoMo⁃LDHInset of (D): equivalent circuit diagram.

Fig.6 Cdl of P⁃NiCoMo⁃LDH and NiCoMo⁃LDH

Fig.7 Bode phase plots of P⁃NiCoMo⁃LDH(A, B) and NiCoMo⁃LDH(C)

Fig.8 Reaction path of oxidation from 5⁃HMF to FDCA(A), the concentration of oxidation products during HMFOR on P⁃NiCoMo⁃LDH(B), catalytic performance of P⁃NiCoMo⁃LDH and NiCoMo⁃LDH in HMFOR(C), catalytic stability of P⁃NiCoMo⁃LDH(D)

Table 1 Comparison of the performance of P-NiCoMo-LDH and other reported catalysts towards electrochemical oxidation of 5-HMF

Electrode	Electrolyte	Potential applied/V（vs. RHE）	Substrate conversion（%）	Yield（%）	FE（%）	Ref.
P⁃NiCoMo⁃LDH	1 mol/L KOH + 10 mmol/L HMF	1.18	99.2	93.2	89.7	This work
NiMoO₄⁃CNTs⁃CF	1 mol/L KOH + 10 mmol/L HMF	1.35	96.30	93.78	89.42	［28］
NiCo₂O₄@NF	1 mol/L KOH + 5 mmol/L HMF	1.50	99.6—90.0	90.8	87.5—80.0	［29］
NiCo₂O₄⁃CFP	1 mol/L KOH + 10 mmol/L HMF	1.43	98.4—90.0	—	89.6—80.0	［30］
NiCoFe⁃LDHs/CFP	1 mol/L NaOH + 10 mmol/L HMF	1.52	95.5	—	90	［21］
Co⁃P⁃Cu foam	0.5 mol/L NaHCO₃ +5 mmol/L HMF	1.45	99	85.3	—	［31］
RuO₂/MnO₂/CNT	0.1 mol/L K₂SO₄ + 20 mmol/L HMF	0.90	100	72	—	［32］

Fig.9 High⁃resolution XPS spectra of Ni2p (A), Co2p (B), Mo3d (C) and P2p (D) of P⁃NiCoMo⁃LDH before and after HMFOR

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