Recent Progress in Photoelectrochemical H2 Production Coupled with Biomass-derived Alcohol/aldehyde Oxidation

doi:10.7503/cjcu20210683

Abstract

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

CLC Number:

O646

TrendMD:

CHEN Wangsong, LUO Lan, LIU Yuguang, ZHOU Hua, KONG Xianggui, LI Zhenhua, DUAN Haohong. Recent Progress in Photoelectrochemical H₂ Production Coupled with Biomass-derived Alcohol/aldehyde Oxidation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210683.

Figures/Tables 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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Recent Progress in Photoelectrochemical H₂ Production Coupled with Biomass-derived Alcohol/aldehyde Oxidation

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