Solar‐Driven Photothermal Manufacturing of Defect‐Rich Oxide Interfaces for Biomass Electrocatalysis

材料科学 氧化物 光热治疗 催化作用 电催化剂 吸附 化学工程 氧化钴 密度泛函理论 纳米技术 烧结 表面工程 法拉第效率 纳米颗粒 产量(工程) 纳米结构 金属 过渡金属 功率密度 氧化还原 电流密度 无机化学 限制
作者
Gaige Zhang,Huayue Yang,Ziqi Fang,Zhaoxi Chen,Shumin Liu,Xiaochao Ren,Wei‐Hsiang Huang,Geoffrey I. N. Waterhouse,Yun Zhao,Guangxu Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.77801
摘要

ABSTRACT Defect‐rich metal oxides are central to sustainable electrocatalysis, yet conventional heat treatment is generally constrained by thermodynamic equilibrium, limiting precise control over defect chemistry while requiring substantial energy input. Here, we establish a solar‐driven photothermal synergistic sintering (PTS) strategy for non‐equilibrium defect engineering by coupling ultraviolet‐induced metal‐oxygen bond activation with localized photothermal lattice reconstruction. Applicable to representative transition‐metal oxide systems, including Co 3 O 4 , CuO, NiO, MnO, and NiCoMnO, PTS rapidly generates oxygen‐vacancy‐enriched hetero‐ and homophase oxide architectures. Using cobalt oxides as a model system, we show that the resulting Co 3 O 4 /CoO heterophase interfaces act as dynamic precatalytic platforms that promote low‐potential surface Co oxidation and subsequent high‐valent CoOOH formation while facilitating HMF‐derived intermediate activation. Density functional theory calculations reveal that the heterophase interface optimizes OH − adsorption, lowers the free‐energy barrier for surface Co oxidation, and enhances HMFCA adsorption and activation. Consequently, the PTS‐derived catalyst delivers a 2.5‐fold higher apparent geometric current density (474 mA cm −2 at 1.40 V vs. RHE) for 5‐hydroxymethylfurfural electrooxidation while maintaining Faradaic efficiency and FDCA yield above 95% over 50 cycles. This work establishes solar‐driven PTS as a general non‐equilibrium strategy for programming oxide defect chemistry and interfacial structures toward sustainable biomass electrocatalysis.
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