由5-羟甲基糠醛高选择性电化学合成生物燃料2,5 -二甲基呋喃的非贵重双金属合金

摘要

羟甲基糠醛转化为DMF因其作为汽油替代品的潜力而受到广泛关注。电合成具有显著的优势，是一种强有力的绿色工具，提供了一种高效、环保的途径。本工作以水为氢源，电催化还原5-氢甲基糠醛(HMF)合成2,5 -二甲基呋喃(DMF)。研究了非贵金属CuNi双金属电极在羟甲基糠醛电催化加氢中的性能。采用XRD、SEM、XPS、BET等技术对电极进行了表征。DMF的法拉效率为88.0%，转换选择性为91.1%。CuNi双金属电极在HMF还原为DMF过程中也表现出良好的稳定性。

实验内容

铜箔的粗糙度如图a所示。可以推断，Cu2+离子的位移在运动上是快速的，在靠近铜箔表面处迅速耗尽，由于Cu2+离子的扩散受到限制，形成树枝状分形形态(图b)。这种特殊的形貌有利于增加电极的表面积，同时保持Cu和Cu晶体之间良好的电连续性。从图1C可以看出，Ni沉积后仍保持树枝状形貌。利用能量色散x射线能谱(EDS)和元素映射分析研究了CuNi电极的元素分布。结果表明，CuNi电极含有Cu 82.1%， Ni 17.3%和微量氧(图D)。图E的结果表明，Ni元素主要沉积在Cu枝晶突出的区域。

对双金属电极的XPS总体测量(图a)表明，电极中的元素主要由铜、镍和氧组成。氧元素可归因于暴露在空气中的表面氧化。图B显示了在932.1 eV和952.4 eV的结合能下Cu 2p1/2和Cu 2p3/2的自旋轨道分裂，这表明高价态Cu2+被有效地还原为Cu+或/和Cu0.39。然而，这两种化合物不能被XPS识别，因为Cu0和Cu2O具有cu2p3 /2和Cu 2p3/2.40的结合能几乎相同。CuLMM XAES分析结果证实，图c中568.2 eV处的峰属于Cu0,41说明CuNi电极中含有Cu0而不是Cu2O。

可以看出，Cu、Cuhs和CuNi电极上的主要产物是DMF, Ni电极上的主要产物是BHMF。在Cu电极的情况下(图a)，与Ag/AgCl相比，在−0.5 V下合成DMF的FE为2.5%。然后在−0.9 V vs Ag/AgCl时上升到34.6%，在−1.0 V vs Ag/AgCl时下降到21.2%。在不同电压下合成BHMF和MFA的FE值都很小。对于Ni电极，在图B中，在−0.6 V vs Ag/AgCl时，BHMF的FE最大值为26.0%，这与文献一致。Cuhs电极在从HMF电化学合成DMF中表现出相当高的法拉效率。在- 0.7 V至- 0.9 V对Ag/AgCl的电位范围内，DMF FE的选择性超过70%，选择性超过80%，产生少量BHMF和MFA。从图D可以看出，CuNi电极上DMF FE达到了88.0%，仅产生了微量BHMF (FE< 1%)。

结论

本工作制备的CuNi双金属电极具有较高的比表面积，呈枝晶形态。XPS和XRD结果表明，CuNi电极表面存在Cu0、Ni0、CuNi合金和微量NiO共存。DMF和BHMF分别是Cu和Ni单金属电极上的优势产物。电沉积的高比表面积铜电极具有相当高的法拉效率，可达70%以上，选择性为86.3%。所制备的CuNi合金电极FE转化率为88.0%，DMF转化率为91.1%。双金属CuNi电极在HMF电化学还原过程中表现出良好的电催化活性和稳定性

转自：“科研一席话”微信公众号

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