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Bioinspired Catalyst/Electrolyte Interfacial Hydrogen-Bond Network Engineering toward Proton Transfer Acceleration for Glycerol Electrooxidation

化学 催化作用 质子 电子转移 对苯二甲酸 动力学 合理设计 纳米技术 工作(物理) 电解 质子输运 加速度 化学工程 电催化剂 法拉第效率 协同催化 组合化学 乙二醇 蛋白质工程 电化学 降级(电信) 分子动力学 质子耦合电子转移
作者
Wenshu Luo,Qin Li,H. F. Tian,Junqing Ma,Tao Yang,Min Li,Hailong Wu,Fantao Kong,Xiangzhi Cui,Jianlin Shi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (10): 11099-11111 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22753
摘要

The electrocatalytic oxidation of biomass-derived alcohol offers a sustainable route to valuable chemicals, yet it is often impeded by sluggish proton-coupled electron transfer (PCET) kinetics, which limit both activity and long-term stability. Inspired by enzymatic proton relays, we herein propose a ligand-induced interfacial engineering strategy to reconstruct hydrogen-bond networks within the electrical double layer of Co(OH) 2 . Using terephthalic acid (TPA) as a bioinspired ligand, we successfully accelerate proton transfer kinetics while simultaneously facilitating lattice-hydroxyl activation for efficient proton deintercalation. The resulting interface-modified catalyst delivers exceptional glycerol electrooxidation performance toward formate, achieving 95% selectivity, an industrial-grade current density above 800 mA cm –2 at 1.6 V, and an outstanding stability exceeding 2600 h. Integrated mechanistic studies combining in situ spectroscopy, theoretical calculations, and molecular dynamics simulations elucidate the dual role of TPA in promoting proton deintercalation and reconstructing interfacial hydrogen-bond networks to enhance PCET kinetics. A membrane-electrode-assembly electrolyzer integrating this catalyst operates with efficiency at 1.29 V (10 mA cm –2 ) and enables the kilogram-scale production of potassium diformate in the laboratory, demonstrating its practical potential for sustainable biomass valorization. This work provides a rational and generalizable approach to design high-performance electrocatalysts through bioinspired interfacial hydrogen-bond engineering.
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