Self-Reconstruction of Sulfate-Terminated Copper Oxide Nanorods for Efficient and Stable 5-Hydroxymethylfurfural Electrooxidation

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作者
Ziyi Fan,Qianqian Yang,Wenjun Zhang,Huiming Wen,Haiyang Yuan,Jing He,Hua Gui Yang,Zupeng Chen
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (23): 11314-11322 被引量:81
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03949
摘要

The electrochemical 5-hydroxymethylfurfural oxidation reaction (HMFOR) has been regarded as a viable alternative to sustainable biomass valorization. However, the transformation of the catalysts under harsh electrooxidation conditions remains controversial. Herein, we confirm the self-construction of cuprous sulfide nanosheets (Cu 2 S NSs) into sulfate-terminated copper oxide nanorods (CuO-SO 4 2– NRs) during the first-cycle of the HMFOR, which achieves a near-quantitative synthesis of 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) with a >99.9% yield and faradaic efficiency without deactivation in 15 successive cycles. Electrochemical impedance spectroscopies confirm that the surface SO 4 2– effectively reduces the onset potential for HMFOR, while in situ Raman spectroscopies identify a reversible transformation from Cu II -O to Cu III -OOH in HMFOR. Furthermore, density functional theory calculations reveal that the surface SO 4 2– weakens the Cu–OH bonds in CuOOH to promote the rate-determining step of its coupling with the C atom in HMF-H* resulting from HMF hydrogenation, which synergistically enhances the catalytic activity of CuO-SO 4 2– NRs toward HMF-to-FDCA conversion.
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