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Halide Adsorption Enhances Electrochemical Hydrogenolysis of 5-Hydroxymethylfurfural by Suppressing Hydrogenation

化学 氢解 吸附 卤化物 无机化学 电子转移 光化学 丙烯醛 选择性 催化作用 有机化学
作者
Xin Yuan,Kwanpyung Lee,J. R. Schmidt,Kyoung‐Shin Choi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (37): 20473-20484 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06289
摘要

Reductive upgrading of 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a biomass-derived platform molecule, to 2,5-dimethylfuran (DMF), a biofuel with an energy density 40% greater than that of ethanol, involves hydrogenolysis of both the aldehyde (C═O) and the alcohol (C-OH) groups of HMF. It is known that when hydrogenation of the aldehyde occurs to form 2,5-bis(hydroxymethyl)furan (BHMF), BHMF cannot be further reduced to DMF. Thus, aldehyde hydrogenation must be suppressed to increase the selectivity for DMF production. Previously, it was shown that on a Cu electrode hydrogenolysis occurs mainly through proton-coupled electron transfer (PCET), where a proton from the solution and an electron from the electrode are transferred to the organic species. In contrast, hydrogenation occurs not only through PCET but also through hydrogen atom transfer (HAT), where a surface-adsorbed hydrogen atom (H*) is transferred to the organic species. This study shows that halide adsorption on Cu can effectively suppress HAT by decreasing the steady-state H* coverage on Cu during HMF reduction. As HAT enables only aldehyde hydrogenation, a striking suppression of BHMF is observed, thereby enhancing DMF production. We discuss how the identity and concentration of the halide, along with the reduction conditions (i.e., potential and pH), affect halide adsorption on Cu and identify when optimal halide coverages are achieved to maximize DMF selectivity. Our experimental results are presented alongside computational results that elucidate how halide adsorption affects the adsorption energy of hydrogen and the steady-state H* coverage on Cu, which provide an atomic-level understanding of all experimentally observed effects.
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