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[材料资讯] 齐伟课题组:开发镍/碳复合电极实现5-羟甲基糠醛高效电重整过程

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发表于 2021-5-8 14:18:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
生物质作为一种新型的可再生非化石资源,被认为是潜在化石资源替代品。5-羟甲基糠醛(HMF)作为生物质资源的重要代表性平台产品之一,可以作为原料生产多种高附加值化合物。将电氧化HMF与在新能源领域中具有重要研究意义的析氢反应耦联是一种极具应用前景的绿色策略,不仅能够突破电催化水裂解体系的动力学瓶颈,而且能够有效降低体系电能消耗。然而,目前该研究方向仍处于概念验证的初始阶段,并面临许多挑战。  

高效电重整过程

高效电重整过程
图1. 镍/碳复合电极的形貌与性能

高效电重整过程

高效电重整过程
图2. 镍纳米片/碳复合电极的高活性来源和结构-功能关系探索
  日前,金属所沈阳材料科学国家研究中心能源催化材料课题组齐伟研究员团队提出通过电沉积技术将镍以纳米片的形式均匀生长在碳纸基底上制备复合电极材料,并利用该材料探究镍基催化剂对HMF电催化促进作用机理和构效关系规律的新颖研究思路。相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上。
  制备获得的镍纳米片/碳纸复合电极能够在较低的反应电位(1.36VRHE)下高选择性电催化HMF氧化生成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)并耦合高效析氢反应,反应体系对目标产物FDCA的选择性和产率均接近100%,生成H2的法拉第效率为95.3%,且该催化剂展示出较高的稳定性,经多次重复利用后仍无活性衰减现象。关联镍纳米片/碳纸复合电极材料的活性与结构可以发现这种优异的催化性能主要来源于碳纸上负载的镍纳米片较低的结晶度、更多的边缘位点以及独特的电子结构。处于边缘位缺电子状态的镍单质容易在反应过程中被原位氧化为具有更高价态的Niδ+物种(NiO 或 NiOOH细小晶粒),从而显著提高了镍纳米片/碳复合电极的催化活性。第一性原理计算明确了催化反应路径并揭示了催化活性的提高主要来源于Niδ+物种对HMF更有利的吸附构型、较强的吸附能和较低的基元反应步骤能垒。
  这种新颖的镍纳米片/碳复合电极在HMF的电氧化反应中展示出了理想的催化活性、能量效率和稳定性,为生物质资源的高效利用和可持续发展提供了新思路。另外这项工作也从另一个侧面表明了在原子水平上对反应机理的理解以及电子结构工程策略对高效电催化剂设计制备的重要意义。
  文章的第一作者和通讯作者分别为金属所沈阳材料科学国家研究中心联合研究部的卢星宇博士研究生和齐伟研究员。


  论文链接:https://doi.org/10.1002/anie.202102359


      文章来源:金属所
      齐伟,博士,中国科学院金属研究所研究员。1982年出生于吉林省长春市, 2005年7月于吉林大学化学学院化学专业获理学学士学位。同年9月免试进入吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室攻读物理化学博士学位,师从吴立新教授。2009年12月提前半年获得博士学位,博士论文获评吉林大学优秀博士论文,吉林省优秀博士论文。2009年12月-2012年2月,在美国加州大学伯克利分校化工系Enrique Iglesia教授的课题组从事博士后研究。工作内容为酸和氧化反应双功能催化剂的催化反应机理和动力学以及催化剂构效关系研究。2012年2月-至今,在中科院金属研究所、沈阳材料科学国家研究中心能源催化材料课题组工作,任课题组长(PI)。研究兴趣主要集中在催化反应机理、反应动力学、非金属催化以及金属催化材料的高效利用与替代。以第一/通讯作者在Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.等期刊发表论文50余篇。作为项目负责人或执行负责人承担科技部(1)、基金委(4)、辽宁省(2)、留学基金委(1)和国家研究中心(5)项目多项。多次受邀担任J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.等化学和催化领域专业期刊审稿人,自然科学基金项目函评专家。

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