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非贵金属催化剂在羟甲基糠醛电氧化增值中的应用
杜磊, 刘兆清
高等学校化学学报    2023, 44 (5): 20220710-.   DOI:10.7503/cjcu20220710
摘要   (550 HTML15 PDF(pc) (13626KB)(183)  

羟甲基糠醛是呋喃类化合物, 具有价格低廉及来源广泛的优点, 可作为平台化合物用于制备其它高附加值产品. 传统的热催化氧化增值方法需要高温、 高压及贵金属催化剂, 造成经济效益的下降. 而电氧化方法不需要高温、 高压条件; 同时, 通过对电催化剂的合理设计, 非贵金属催化剂表面的羟甲基糠醛选择性转化已经得以实现, 从而避免使用大量贵金属. 因此, 通过电氧化方法对羟甲基糠醛平台化合物进行高附加值转化受到了广泛关注. 在羟甲基糠醛氧化的多种产物中, 羟基和醛基被全部氧化为羧基的产物——2,5-呋喃二甲酸, 被美国能源部列为“最具有价值的12种生物质衍生化学品”之一. 鉴于此, 本文介绍了羟甲基糠醛电氧化增值生产2,5-呋喃二甲酸的重要研究价值及相关非贵金属电催化剂的最新进展, 并对催化羟甲基糠醛电氧化反应的非贵金属催化剂的发展前景进行了展望.



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Fig.4 Morphological features of Ni2P NPA/NF and conversation of FDCA[50]
(A) XRD pattern of Ni2P NPA/NF with the corresponding standard patterns of Ni2P and Ni; (B, C) SEM images of Ni2P NPA/NF with different magnifications; (D) SEM and the corresponding elemental mapping images of Ni2P NPA/NF; (E) LSV curves of Ni2P NPA/NF at a scan rate of 2 mV/s in 1.0 mol/L KOH with and without 10 mmol/L HMF; (F) conversion and yield(%) changes of HMF and its oxidation products during the electrochemical oxidation of HMF at 1.423 V(vs. RHE) in 1.0 mol/L KOH with 10 mmol/L HMF; (G) faradaic efficiencies of Ni2P NPA/NF for FDCA production under three successive electrolysis cycles.
Copyright 2016, Wiley-VCH GmbH.
正文中引用本图/表的段落
本文讨论的过渡金属Xide催化剂包括过渡金属硫化物、 磷化物、 氮化物及硼化物等. 已有大量的工作集中在过渡金属Xide催化剂的设计制备上, 如通过硫化反应, 可以在泡沫镍表面形成一层均匀的Ni3S2, 从而形成Ni3S2/NF电极[49]. 将该电极作为工作电极, 在10 mmol/L HMF+1 mol/L KOH电解液中进行恒电位极化测试(1.423 V vs. RHE). 当通过约58 C的电量后, 生成FDCA的转化率和法拉第效率都接近100%(由HPLC及1H NMR测试结果计算所得), 说明过渡金属硫化物催化剂对于HMFOR的催化活性和选择性较高. 同时, 在HMFOR过程中几乎没有检测到DFF, 说明在Ni3S2/NF催化剂表面, HMFOR主要沿着HMF→HMFCA→FFCA→FDCA的路径进行. 类似地, Ni2P/NF催化剂在1.423 V(vs. RHE)恒电位极化测试下也展现了接近100%的选择性和较好的稳定性(图4); 其HMFOR也主要沿着HMF→HMFCA→FFCA→FDCA的路径进行[50]. 除了硫化物和磷化物, 过渡金属硼化物也展现了较好的HMFOR性能. 如采用CoB催化剂, 在1.45 V电极电势下可以实现98%的法拉第效率, 而FDCA的产率也高达94%; 如采用泡沫镍作为集流体担载CoB催化剂, 1.45 V下法拉第效率和FDCA产率都接近100%[53]. Brawe等[52]在泡沫镍上制备了Ni x B催化剂, 该催化剂具有100%的法拉第效率和98.5%的 FDCA选择性. 另一方面, Zhou等[61]报道过渡金属氮化物有望成为有前景的HMFOR催化剂. 如将Ni3N颗粒包覆在碳层中可以有效地提升其稳定性, 经过6次HMFOR测试后, FDCA产率仍高于98%[51].
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