A Green and Efficient Electrocatalytic Route for the Highly‐Selective Oxidation of C−H Bonds in Aromatics over 1D Co3O4‐Based Nanoarrays

苯甲醛 甲苯 选择性 苯甲醇 电化学 催化作用 吸附 化学 酒精氧化 化学工程 材料科学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Zhaohui Yin,Zirui Gao,Lan Luo,Xiaohui Zhang,Wenxiang Hou,Wenjing Dai,Shuheng Tian,Xuetao Qin,Maolin Wang,Mi Peng,Kaihua Li,Songbo Wang,Lei Zhang,Hong Wang,Jian‐Xin Li,Qingjun Zhu,Bowen Cheng,Zhen Yin,Ding Ma
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (3): e202415044-e202415044 被引量:13
标识
DOI:10.1002/anie.202415044
摘要

Abstract Electrocatalytic oxidation of C−H bonds in hydrocarbons represents an efficient and sustainable strategy for the synthesis of value‐added chemicals. Herein, a highly selective and continuous‐flow electrochemical oxidation process of toluene to various oxygenated products (benzyl alcohol, benzaldehyde, and benzyl acetate) is developed with the electrocatalytic membrane electrodes (ECMEs). The selectivity of target products can be manipulated via surface and interface engineering of Co 3 O 4 ‐based electrocatalysts. We achieved a high benzaldehyde selectivity of 90 % at a toluene conversion of 47.6 % using 1D Co 3 O 4 nanoneedles (NNs) loaded on a microfiltration (MF) titanium (Ti) membrane, i.e, Co 3 O 4 NNs/Ti. In contrast, the main product shifted to benzyl alcohol with a selectivity of 90.1 % at a conversion of 32.1 % after modifying MnO 2 nanosheets (NSs) on Co 3 O 4 NNs/Ti (Co 3 O 4 @MnO 2 /Ti) catalyst. Moreover, benzyl acetate product can be obtained with a selectivity of 92 % at a conversion of 58.5 % at high current density (>1.5 mA cm −2 ), demonstrating that the pathway of toluene oxidation is readily maneuvered. DFT results reveal that modifying MnO 2 on Co 3 O 4 optimizes the electron structure of Co 3 O 4 @MnO 2 /Ti and modulates the adsorption behavior of intermediate species. This work demonstrates a sustainable, efficient, and continuous‐flow process for precise control over the production selectivity of value‐added oxygenated derivatives in the electrochemical oxidation of aromatic hydrocarbons.
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