Facile Synthesis of Metal/Carbon Electrocatalysts via Adsorption for Efficient Electrocatalytic Oxidation of HMF

doi:10.7503/cjcu20220631

Abstract

Abstract:

A simple adsorption method has been developed to prepare highly efficient electrocatalysts（Ni _x Fe_1‒_x /HC） for 5-hydroxymethylfurfural（HMF） oxidation using mesoporous hollow carbon spheres（HC） as the carrier. X-ray diffraction（XRD）， field emission scanning electron microscopy（SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） and other characterizations were applied to characterize the phases， structural morphologies and electronic structures of the obtained Ni _x Fe_1‒_x /HC catalysts. Linear sweep voltammetry， chronopotentiometry were used to evaluated the electrocatalytic activities of HMF oxidation of Ni _x Fe_1‒_x /HC. The results show that the catalytic activity of Ni _x Fe_1‒_x /HC catalysts increases first and then decreases with the increase of introduction amount of Fe. Among them， Ni_0.7Fe_0.3/HC show the best catalytic activity. The conversion of HMF is as high as 100%， the selectivity of 2，5-furandicarboxylic acid（FDCA） is 90.5%， and the Faradaic efficiency is 90.2%. Even after 10 cycles， the catalytic activity of Ni_0.7Fe_0.3/HC was only slightly reduced， exhibiting excellent catalytic stability.

Key words: HMF oxidation, Mesoporous hollow carbon, Ni-based catalyst, Electrocatalytic conversion

CLC Number:

O646

TrendMD:

LIU Zhichen, ZHANG Hongwei, ZHANG Bowen, CHEN Peng, YUAN Pei. Facile Synthesis of Metal/Carbon Electrocatalysts via Adsorption for Efficient Electrocatalytic Oxidation of HMF[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220631.

Figures/Tables 7

References 32

1	Tuck C. O.， Perez E.， Horvath I. T.， Sheldon R. A.， Poliakoff M.， Science， 2012， 337（6095）， 695—699
2	Li Z. L.， Garedew M.， Lam C. H.， Jackson J. E.， Miller D. J.， Saffron C. M.， Green Chem.， 2012， 14（9）， 2540—2549
3	You B.， Jiang N.， Liu X.， Sun Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（34）， 9913—9917
4	You B.， Liu X.， Jiang N.， Sun Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（41）， 13639—13646
5	Staffell I.， Scamman D.， Velazquez Abad A.， Balcombe P.， Dodds P. E.， Ekins P.， Shah N.， Ward K. R.， Energy Environ. Sci.， 2019， 12（2）， 463—491
6	Zhang N. N.， Zou Y. Q.， Tao L.， Chen W.， Zhou L.， Liu Z. J.， Zhou B.， Huang G.， Lin H.， Wang S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（44）， 15895—15903
7	Lu Y. X.， Dong C. L.， Huang Y. C.， Zou Y.， Liu Z.， Liu Y.， Li Y.， He N.， Shi J.， Wang S.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2020， 59（43）， 19215—19221
8	Rajendran S.， Raghunathan R.， Hevus I.， Krishnan R.， Ugrinov A.， Sibi M. P.， Webster D. C.， Sivaguru J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2015， 54（4）， 1159—1163
9	Yang Y.， Mu T.， Green Chem.， 2021， 23（12）， 4228—4254
10	van Putten R. J.， van der Waal J. C.， de Jong E.， Rasrendra C. B.， Heeres H. J.， de Vries J. G.， Chem. Rev.， 2013， 113（3）， 1499—1597
11	Chen C. L.， Wang L. C.， Zhu B.， Zhou Z. Q.， El⁃Hout S. I.， Yang J.， Zhang J.， J. Energy Chem.， 2021， 54， 528—554
12	Zhao Y.， Cai M.， Xian J.， Sun Y.， Li G.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（36）， 20164—20183
13	Deng C.， Toe C. Y.， Li X.， Tan J.， Yang H.， Hu Q.， He C.， Adv. Energy Mater.， 2022， 12（25）， 2201047
14	Zhang J. W.， Yu P. L， Zeng G. M.， Bao F. X.， Yuan Y. L.， Huang H. W.， J. Mater. Chem. A， 2021， 9（15）， 9685—9691
15	Gao L. F.， Gan S. Y.， Ma J. L.， Sun Z. H.， Liu Z.， Zhong L. B.， Zhou K. J.， Han F. J.， Wang W.， Han D.， Niu L.， ChemElectroChem， 2020， 7（20）， 4251—4258
16	Luo Q. M.， Zhao Y. W.， Qi Y. Y.， Xin H. Q.， Wang C.， Chen G.， Sun J.， Liu M.， Xu K.， Ma F.， Nanoscale， 2020， 12（25）， 13708—13718
17	Deng X. H.， Xu G. Y.， Zhang Y. J.， Wang L.， Zhang J.， Li J. F.， Fu X. Z.， Luo J. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（37）， 20535—20542
18	Chen H.， Wang J. T.， Yao Y.， Zhang Z. H.， Yang Z. Z.， Li J.， Chen K. Q.， Lu X. Y.， Ouyang P. K.， Fu J.， ChemElectroChem， 2019， 6（23）， 5797—5801
19	Wang J. M.， Zhao Z.， Shen C.， Liu H. P.， Pang X. Y.， Gao M. Q.， Mu J.， Cao F.， Li G. Q.， Catal. Sci. Technol.， 2021， 11（7）， 2480—2490
20	Lu X. Y.， Wu K. H.， Zhang B.， Chen J.， Li F.， Su B. J.， Yan P.， Chen J. M.， Qi W.， Angew. Chem. Int. Ed. Engl.， 2021， 60（26）， 14528—14535
21	Yang G. C.， Jiao Y. Q.， Yan H. J.， Xie Y.， Wu A. P.， Dong X.， Guo D. Z.， Tian C. G.， Fu H. G.， Adv. Mater.， 2020， 32（17）， e2000455
22	Duraisamy V.， Krishnan R.， Senthil Kumar S. M.， ACS Appl. Nano Mater.， 2020， 3（9）， 8875—8887
23	Xie L.， Yan M.， Liu T. Y.， Gong K.， Luo X.， Qiu B. L.， Zeng J.， Liang Q. R.， Zhou S.， He Y. J.， Zhang W.， Jiang Y. L.， Yu Y.， Tang J. Y.， Liang K.， Zhao D. Y.， Kong B.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（4）， 1634—1646
24	Cantu D. C.， Padmaperuma A. B.， Nguyen M. T.， Akhade S. A.， Yoon Y.， Wang Y. G.， Lee M. S.， Glezakou V. A.， Rousseau R.， Lilga M. A.， ACS Catal.， 2018， 8（8）， 7645—7658
25	Huo J. M.， Wang Y.， Meng J.， Zhao X. Y.， Zhai Q. G.， Jiang Y. C.， Hu M. C.， Li S. N.， Chen Y.， J. Mater. Chem. A， 2022， 10（4）， 1815—1820
26	Zhou Y. N.， Wang F. L.， Dou S. Y.， Shi Z. N.， Dong B.， Yu W. L.， Zhao H. Y.， Wang F. G.， Yu J. F.， Chai Y. M.， J. Mater. Chem. A， 2022， 427， 131643
27	Sun Z. M.， Yuan M. W.， Shi K. F.， Liu Y. H.， Wang D.， Nan C. Y.， Li H. F.， Sun G. B.， Yang X. J.， Chem. Eur. J.， 2020， 26（32）， 7244—7249
28	Burke M. S.， Enman L. J.， Batchellor A. S.， Zou S.， Boettcher S. W.， Chem. Mat.， 2015， 27（22）， 7549—7558
29	Taitt B. J.， Nam D. H.， Choi K. S.， ACS Catal.， 2019， 9（1）， 660—670
30	Wang H. L.， Zhou Y. M.， Tao S. Y.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 315， 121588
31	Hu C. J.， Hu Y. F.， Fan C. H， Yang L.， Zhang Y. T， Li H. X.， Xie W.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（36）， 19774—19778
32	Zhou Y. Y.， Shen Y.， Li H. Y.， Appl. Catal. B： Environ.， 2022， 317， 121776

[1]	WU Hao, WANG Changzhen, QIU Yuan, TIAN Yani, ZHAO Yongxiang. Effect of Steric Confinement Dimension on Metal Site Anti-carbon Deposition Ability of Ni-SiO₂ Catalysts in CH₄-CO₂ Reforming [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(11): 2488.
[2]	MENG Zhiyu, ZHANG Yin, ZHAO Lili, ZHANG Hongxi, ZHAO Yongxiang. Liquid Phase Hydrogenation of Maleic Anhydride over Ni/TiO₂Catalysts with Different TiO₂ Polymorphs^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(9): 1779.
[3]	GUO Fang, CHU Wei*, SHI Xin-Yu, ZHANG Xu. Effects of Plasma Introduction Mode on Ni/γ-Al₂O₃ Catalysts for CH₄Reforming with CO₂ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2009, 30(4): 746.
[4]	LI Ji-Tao, CHEN Ming-Dan, YAN Qian-Gu, WAN Hui-Lin, TSAI K. R. . Development of Higher Stable Ni/MgO Catalyst for CO₂ Reforming of Methane [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2000, 21(9): 1445.