Electrocatalytic Biomass Oxidation via Acid‐Induced In Situ Surface Reconstruction of Multivalent State Coexistence in Metal Foams

材料科学 催化作用 法拉第效率 电极 氧化还原 化学工程 电化学 金属 氧化物 无机化学 氢氧化物 电催化剂 有机化学 化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Xinyu Zhang,Sheng‐Song Yu,Jie‐Jie Chen,Kun Gao,Han‐Qing Yu,Yan Yu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202419050
摘要

Abstract Electrocatalytic biomass conversion offers a sustainable route for producing organic chemicals, with electrode design being critical to determining reaction rate and selectivity. Herein, a prediction‐synthesis‐validation approach is developed to obtain electrodes for precise biomass conversion, where the coexistence of multiple metal valence states leads to excellent electrocatalytic performance due to the activated redox cycle. This promising integrated foam electrode is developed via acid‐induced surface reconstruction to in situ generate highly active metal (oxy)hydroxide or oxide (MO x H y or MO x ) species on inert foam electrodes, facilitating the electrooxidation of 5‐hydroxymethylfurfural (5‐HMF) to 2,5‐furandicarboxylic acid (FDCA). Taking nickel foam electrode as an example, the resulting NiO x H y /Ni catalyst, featuring the coexistence of multivalent states of Ni, exhibits remarkable activity and stability with a FDCA yields over 95% and a Faradaic efficiency of 99%. In situ Raman spectroscopy and theoretical analysis reveal an Ni(OH) 2 /NiOOH‐mediated indirect pathway, with the chemical oxidation of 5‐HMF as the rate‐limiting step. Furthermore, this in situ surface reconstruction approach can be extended to various metal foams (Fe, Cu, FeNi, and NiMo), offering a mild, scalable, and cost‐effective method for preparing potent foam catalysts. This approach promotes a circular economy by enabling more efficient biomass conversion processes, providing a versatile and impactful tool in the field of sustainable catalysis.
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