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Unraveling a bifunctional mechanism for methanol-to-formate electro-oxidation on nickel-based hydroxides

格式化 双功能 催化作用 氢氧化物 析氧 氧化还原 甲醇 化学 层状双氢氧化物 无机化学 组合化学 材料科学 电化学 有机化学 电极 物理化学
作者
Botao Zhu,Bo Dong,Feng Wang,Qifeng Yang,Yunpeng He,Cunjin Zhang,Peng Jin,Lai Feng
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:86
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37441-9
摘要

For nickel-based catalysts, in-situ formed nickel oxyhydroxide has been generally believed as the origin for anodic biomass electro-oxidations. However, rationally understanding the catalytic mechanism still remains challenging. In this work, we demonstrate that NiMn hydroxide as the anodic catalyst can enable methanol-to-formate electro-oxidation reaction (MOR) with a low cell-potential of 1.33/1.41 V at 10/100 mA cm-2, a Faradaic efficiency of nearly 100% and good durability in alkaline media, remarkably outperforming NiFe hydroxide. Based on a combined experimental and computational study, we propose a cyclic pathway that consists of reversible redox transitions of NiII-(OH)2/NiIII-OOH and a concomitant MOR. More importantly, it is proved that the NiIII-OOH provides combined active sites including NiIII and nearby electrophilic oxygen species, which work in a cooperative manner to promote either spontaneous or non-spontaneous MOR process. Such a bifunctional mechanism can well account for not only the highly selective formate formation but also the transient presence of NiIII-OOH. The different catalytic activities of NiMn and NiFe hydroxides can be attributed to their different oxidation behaviors. Thus, our work provides a clear and rational understanding of the overall MOR mechanism on nickel-based hydroxides, which is beneficial for advanced catalyst design.
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