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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.5 Sum Frequency Generation(SFG) spectra recorded at the working electrode/electrolyte interface after running the cell at various voltages for 90 min(A) and by monitoring the reaction at different times at 1.45 V(vs. RHE) in 1 mol/L KOH and 20 mmol/L HMF(B)[51]
Copyright 2019, Wiley-VCH GmbH.
正文中引用本图/表的段落
值得注意的是, 目前HMFOR路径与催化剂的关系尚不明确. 大部分过渡金属Xide催化剂表面HMFOR沿着HMF→HMFCA→FFCA→FDCA的路径进行, 例如Ni3S2/NF催化剂[49]、 Ni2P/NF催化剂[50]、 Ni3N@C催化剂[51]及Ni x B催化剂[52]等, 但也存在特例. Sun等[47]发现, 同样是磷化物, CoP/NF催化剂主要沿着HMF→DFF→FFCA→FDCA的路径进行, 其法拉第效率接近100%, FDCA转化率高于90%[47]. 目前对于这一问题还没有明确的认识. 我们推测HMFOR路径的不一致可能是由于不同催化剂组分造成的, 即CoP对DFF的电催化氧化活性远高于对HMFCA的电催化氧化活性, 而Ni2P则相反. 当然, 这一推测尚未被证实. 因此, 发展先进表征手段对于HMFOR机理和非贵金属催化剂构效关系的深入理解十分必要. 例如电化学原位和频振荡光谱可被用于研究Ni3N催化剂表面的HMFOR机理[51]. 由图5可见, 在电极电势为1.05~1.25 V时, 只能检测到HMF的信号, 这意味着HMFOR尚未发生; 随着电势增加到1.35 V, 和频振荡光谱在1335和1380 cm-1处出现了新峰, 对应于HMFCA的生成; 进一步增加电势到1.45 V, 光谱上开始出现FFCA和FDCA的特征峰; 电极电势继续增加到1.70 V时, 只能检测到FDCA的信号峰, 说明该反应的终产物是FDCA. 上述实验结果与HPLC结合可以证明HMF→HMFCA→FFCA→FDCA路径.
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