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Pairing Electrocatalytic Reduction and Oxidation of Biomass-Derived 5-Hydroxymethylfurfural into Highly Value-Added Chemicals

法拉第效率 生物量(生态学) 选择性 电化学 阳极 阴极 化学 产量(工程) 化学工程 电催化剂 电极 能量转换效率 无机化学 材料科学 有机化学 催化作用 冶金 物理化学 工程类 地质学 海洋学 光电子学
作者
Man Zhang,Zhikeng Zheng,Xiaodie Zhang,Zhiwei Jiang,Yong Xue,Ke Li,Xin Tu,Kai Yan
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:5 (2): 937-947 被引量:18
标识
DOI:10.1021/jacsau.4c01135
摘要

Simultaneous electrocatalytic reduction and oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) is crucial for biomass refineries. Herein, we report the unprecedentedly high efficiency of the nearly complete conversion of biomass-derived HMF to value-added products, achieving >95% selectivity at -0.4 V vs RHE by pairing electrocatalytic reduction and oxidation (PERO) reactions in a single electrochemical cell. At the cathode, we achieved 99% conversion of HMF to 2,5-dihydroxymethylfuran (DHMF) in ∼99% yield under mild conditions using a PtRu alloy. At the anode, we observed 99% conversion of HMF, nearly perfect selectivity for the oxidative product 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), and 100% Faradaic efficiency on a NiCo(OOH) x nanosheets electrode. The kinetic isotope effect demonstrated that the rate-controlled step was a proton-independent electron transfer process, with minimal impact from substrate concentration variations. After assembling the synchronous reaction cell, the PERO of HMF generated high yields of DHMF (94%) and FDCA (86%), achieving a combined electron efficiency of 131%, nearly doubling the performance of uncoupled cells. This superior performance was attributed to the efficient generation of H* on the PtRu alloy for reduction, alongside the OH* active sites on the NiCo(OOH) x nanosheets electrode for oxidation. This research provides a promising strategy for the sustainable electrocatalytic upgrading of biomass-derived chemicals.
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