Enhancing the Electrocatalytic Hydrogenation of Furfural via Anion-Induced Molecular Activation and Adsorption

化学 氢键 糠醇 吸附 无机化学 分子 光化学 催化作用 物理化学 有机化学
作者
Zhongcheng Xia,Leitao Xu,Chongyang Ma,Qizheng An,Chenyu Bu,Yun Fan,Yuxuan Lu,Yuping Pan,Dianke Xie,Qinghua Liu,Shuangyin Wang,Yuqin Zou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (35): 24570-24579 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07979
摘要

The electrocatalytic hydrogenation (ECH) of furfural (FF) to furfuryl alcohol, which does not require additional hydrogen or high pressure, is a green and promising production route. In this study, we explore the effects of anions on FF ECH in two buffer electrolytes (KHCO3 and phosphate-buffered saline [PBS]). Anions influence the yield of furfuryl alcohol through molecular activation and adsorption. Molecular dynamics simulations show that bicarbonate is present in the first shell layer of the FF molecule and induces strong hydrogen bonding interactions. In contrast, hydrogen phosphate is present only in the second shell layer, resulting in weak hydrogen bonding interactions. Owing to the interfacial anions and hydrogen bonding, FF molecules exhibit strong flat adsorption on the electrode surface in the KHCO3 solution, while weak adsorption is observed in the PBS solution, as confirmed by operando synchrotron-radiation Fourier-transform infrared spectroscopy and in situ Raman spectroscopy. Density-functional theory calculations reveal that the overall anionic hydrogen bonding network promotes the activation of the carbonyl group in the FF molecule in KHCO3, whereas electrophilic activity is inhibited in PBS. Consequently, FF ECH demonstrates much faster kinetics in KHCO3, while it exhibits sluggish ECH kinetics and a severe hydrogen evolution reaction in PBS. This work introduces a new strategy to optimize the catalytic process through the modulation of the microenvironment.
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