Self-Reconstruction of Sulfate-Terminated Copper Oxide Nanorods for Efficient and Stable 5-Hydroxymethylfurfural Electrooxidation

催化作用 电化学 法拉第效率 纳米棒 产量(工程) 硫酸盐 氧化物 化学 无机化学 硫化物 硫化铜 化学工程 材料科学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 冶金 工程类
作者
Ziyi Fan,Qianqian Yang,Wenjun Zhang,Huiming Wen,Haiyang Yuan,Jing He,Hua Gui Yang,Zupeng Chen
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (23): 11314-11322 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03949
摘要

The electrochemical 5-hydroxymethylfurfural oxidation reaction (HMFOR) has been regarded as a viable alternative to sustainable biomass valorization. However, the transformation of the catalysts under harsh electrooxidation conditions remains controversial. Herein, we confirm the self-construction of cuprous sulfide nanosheets (Cu2S NSs) into sulfate-terminated copper oxide nanorods (CuO-SO42- NRs) during the first-cycle of the HMFOR, which achieves a near-quantitative synthesis of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) with a >99.9% yield and faradaic efficiency without deactivation in 15 successive cycles. Electrochemical impedance spectroscopies confirm that the surface SO42- effectively reduces the onset potential for HMFOR, while in situ Raman spectroscopies identify a reversible transformation from CuII-O to CuIII-OOH in HMFOR. Furthermore, density functional theory calculations reveal that the surface SO42- weakens the Cu-OH bonds in CuOOH to promote the rate-determining step of its coupling with the C atom in HMF-H* resulting from HMF hydrogenation, which synergistically enhances the catalytic activity of CuO-SO42- NRs toward HMF-to-FDCA conversion.
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