來源：《中國科學報》第1版 要聞
發(fā)布時間：2024-09-10
本報訊（記者孫丹寧）中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊與研究員肖建平團隊合作，設計開發(fā)出一種銅摻雜鎳鈷合金（Cu-NiCo/NF）高活性催化劑，并構建出節(jié)能的硝酸還原合成氨耦合甘油氧化制甲酸系統(tǒng)，實現(xiàn)了高活性、高選擇性的甘油電氧化制甲酸。近日，相關研究成果發(fā)表于《德國應用化學》。
甘油可通過酯化、氧化和醚化等反應轉化為高附加值化學品。然而，大多數(shù)轉化方法通常需要高壓、高溫和額外的氧源。而甘油電氧化僅需要調節(jié)電壓、電解質和催化劑，因此被認為是一種生產(chǎn)增值產(chǎn)品的有效手段。近年來，鎳基催化劑因含量豐富、成本低廉、耐腐蝕等特點，被廣泛應用于電氧化反應中。然而，鎳基催化劑的電氧化活性較差，相比之下，合金催化劑更有競爭力。
該研究發(fā)現(xiàn)，通過一步電沉積制備的Cu-NiCo/NF展現(xiàn)出優(yōu)異的甘油氧化反應性能，并且甲酸鹽的法拉第效率達到93.8％。與其他生物質衍生物相比，該催化劑展現(xiàn)出較為優(yōu)異的電氧化活性。原位拉曼、準原位XPS和理論計算表明，催化劑表面產(chǎn)生的NiIII-OOH和CoIII-OOH是甘油氧化的反應活性物種，在反應過程中，這些活性物種會快速地與甘油發(fā)生反應，從而避免了催化劑的過度氧化，保證了催化劑的結構穩(wěn)定。
研究表明，Cu摻雜能夠促進合金表面的*O與反應中間體實現(xiàn)C-O偶聯(lián)，獲得形成甲酸的關鍵中間體，降低C-O偶聯(lián)過程的能壘，提高甘油氧化活性。該催化劑對硝酸鹽還原反應也展現(xiàn)出較高的活性和選擇性。以Cu-NiCo/NF為雙功能催化劑，科研人員在流動電解槽中構建了硝酸還原耦合甘油氧化系統(tǒng)，并同步生成了氨氣和甲酸，該系統(tǒng)具有長達144小時的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)中甲酸仍是陽極的主要產(chǎn)物，當甘油的轉化率為87.6%時，甲酸的收率達到80.6%。
該工作不僅開發(fā)了一種具有高催化活性的甘油氧化和硝酸鹽還原雙功能電催化劑，還為電化學精煉實現(xiàn)產(chǎn)品升級提供了新思路。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/ange.202411542
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