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Efficient H2 Evolution Coupled with Oxidative Refining of Alcohols via A Hierarchically Porous Nickel Bifunctional Electrocatalyst

电催化剂 电解 酒精氧化 化学 电解水 析氧 过电位 材料科学 阳极 双功能 法拉第效率 化学工程 催化作用 电化学 电解质 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Bo You,Xuan Liu,Xin Liu,Yujie Sun
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:7 (7): 4564-4570 被引量:354
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b00876
摘要

Water electrolysis to produce H2 and O2 with renewable energy input has been generally viewed as an attractive route to meet future global energy demands. However, the sluggish O2 evolution reaction usually requires high overpotential and may yield reactive oxygen species (ROS) that can degrade the electrolyzer membrane and hence shorten the device lifetime. In addition, the potential gas crossover may result in an explosive H2/O2 mixture and hence safety risks. To address these issues, we herein report a general electrolysis strategy for the simultaneous H2 production and alcohol oxidative upgrading (e.g., benzyl alcohol, 4-nitrobenzyl alcohol, 4-methylbenzyl alcohol, ethanol, and 5-hydroxymethylfurfural), in which the thermodynamics of the latter is much easier than that of water oxidation. A facile and environmentally friendly template-free electrodeposition was used to obtain a 3D hierarchically porous nickel-based electrocatalyst (hp-Ni) for such an integrated electrolysis, requiring a voltage of ∼220 mV smaller than that of water splitting to achieve 50 mA cm–2 together with robust stability, high Faradaic efficiencies, and no formation of ROS, as well as production of valuable products at both the cathode (H2) and anode (alcohol oxidation products). More importantly, we demonstrated that these diverse alcohol oxidations over hp-Ni exhibited similar onset potentials which were largely determined by the desirable oxidation potential of hp-Ni, irrespective of the different intrinsic thermodynamics of these alcohol oxidation reactions. This result provides a new direction for the rational design of heterogeneous transition-metal-based electrocatalysts with lower oxidation potential for more highly efficient electrocatalytic alcohol oxidation.
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