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Manipulating Dual-Metal Catalytic Activities toward Organic Upgrading in Upcycling Plastic Wastes with Inhibited Oxygen Evolution

催化作用 氧气 电解 材料科学 析氧 电催化剂 金属有机骨架 化学工程 氢氧化物 制氢 无机化学 化学 有机化学 工程类 电化学 物理化学 吸附 电解质 电极
作者
Dengke Xiong,Xiaoyang He,Xuan Liu,Kaiyan Zhang,Zhentao Tu,Jianying Wang,Shi‐Gang Sun,Zuofeng Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (31): 20340-20352 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04219
摘要

Electrorefinery of polybutylene terephthalate (PBT) waste plastic, specifically conversion of a PBT-derived 1,4-butanediol (BDO) monomer into value-added succinate coupled with H2 production, emerges as an auspicious strategy to mitigate severe plastic pollution. Herein, we report the synthesis of Mn-doped NiNDA nanosheets (NDA: 2,6-naphthalenedicarboxylic acid), a metal-organic framework (MOF) through a ligand exchange method, and its utilization for electrocatalytic BDO oxidation to succinate. Interestingly, the transformation of doped layered-hydroxide (d-LH) precursors to MOF promotes BDO oxidation while hindering the competitive oxygen evolution reaction. Experimental and theoretical results indicate that the MOF has a higher affinity (i.e., alcoholophilic) for BDO than the d-LH, while Mn doping into NiNDA results in electron accumulation at Ni sites with an upward shift in the d-band center and convenient spin-dependent charge transfer, which are all beneficial for BDO oxidation. The as-constructed two-electrode membrane-electrode assembly (MEA) flow cell, by coupling BDO oxidation and hydrogen evolution reaction, attains an industrial current density of 1.5 A cm-2@1.82 V at 50 °C, corresponding to a specific energy consumption of 3.68 kWh/Nm3 H2. This represents an energy saving of >25% for hydrogen production on an industrial scale compared to conventional water electrolysis (∼5 kWh/Nm3 H2) in addition to the production of valuable chemicals.
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