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Electrocatalytic Hotspots in Hierarchical Structures with Ion‐Pump Effect Enable High‐Selectivity Synthesis of 2,5‐Furandicarboxylic Acid From 5‐Hydroxymethylfurfural in Neutral Electrolyte

催化作用 热点(地质) 电解质 拉曼光谱 离子 材料科学 化学工程 电化学 多相催化 化学 电极 电场 无机化学 纳米技术 电催化剂 X射线光电子能谱 选择性 强电解质 电流密度 化学物理 产量(工程) 原位 比表面积 制作
作者
Zhi Hu,Zhiming Li,Sisi Yue,Weichao Niu,Mingxin Qin,Ziheng Chen,Yuanyuan Ye,Jin Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (22): e3041586-e3041586 被引量:2
标识
DOI:10.1002/anie.3041586
摘要

ABSTRACT The catalytic hotspot effect is a well‐documented phenomenon in photocatalysis, referring to regions with higher catalytic activity at the mesoscale. Whether analogous effect exists in electrocatalysis presents an intriguing question worthy of exploration. In this work, hierarchical NiCo 2 O 4 catalysts with needle‐like, rod‐like, sheet‐like, and bulk‐like morphologies were synthesized and used to explore the hotspot effect in electrocatalysis. The needle‐like hierarchical catalyst demonstrated optimal performance, achieving a 93% yield of 2,5‐furandicarboxylic acid (FDCA) from 5‐hydroxymethylfurfural in neutral electrolyte, comparable to alkaline conditions, while other morphologies yielded less than 40%. In situ Raman spectroscopy revealed that the exceptional catalytic performance stems from a localized high‐pH environment on the surface of the needle‐like catalyst. Finite element simulations reveal that the high pH environment is related to high density of corner sites where the electric field is highly concentrated, resulting in formation of catalytic hotspots. These hotspots can play a role of ion pumps by attracting anions ions which subsequently diffuse into the surrounding regions. The ion pump effect establishes an alkaline local microenvironment which greatly boosts FDCA yield. This work demonstrates that the surface microenvironment of heterogeneous electrocatalysts can be modulated by hotspot engineering, and thus offers a new strategy for catalyst design.
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