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Selective Photoelectrocatalytic Glycerol Oxidation to Dihydroxyacetone via Enhanced Middle Hydroxyl Adsorption over a Bi2O3-Incorporated Catalyst

化学 二羟丙酮 甘油 选择性 催化作用 电化学 吸附 纳米棒 阳极 化学工程 组合化学 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Lan Luo,Wangsong Chen,Simin Xu,Jiangrong Yang,Min Li,Hua Zhou,Ming Xu,Mingfei Shao,Xianggui Kong,Zhenhua Li,Haohong Duan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (17): 7720-7730 被引量:276
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00465
摘要

Photoelectrocatalytic (PEC) glycerol oxidation offers a sustainable approach to produce dihydroxyacetone (DHA) as a valuable chemical, which can find use in cosmetic, pharmaceutical industries, etc. However, it still suffers from the low selectivity (≤60%) that substantially limits the application. Here, we report the PEC oxidation of glycerol to DHA with a selectivity of 75.4% over a heterogeneous photoanode of Bi2O3 nanoparticles on TiO2 nanorod arrays (Bi2O3/TiO2). The selectivity of DHA can be maintained at ∼65% under a relatively high conversion of glycerol (∼50%). The existing p-n junction between Bi2O3 and TiO2 promotes charge transfer and thus guarantees high photocurrent density. Experimental combined with theoretical studies reveal that Bi2O3 prefers to interact with the middle hydroxyl of glycerol that facilitates the selective oxidation of glycerol to DHA. Comprehensive reaction mechanism studies suggest that the reaction follows two parallel pathways, including electrophilic OH* (major) and lattice oxygen (minor) oxidations. Finally, we designed a self-powered PEC system, achieving a DHA productivity of 1.04 mg cm-2 h-1 with >70% selectivity and a H2 productivity of 0.32 mL cm-2 h-1. This work may shed light on the potential of PEC strategy for biomass valorization toward value-added products via PEC anode surface engineering.
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