Ampere-level furfurylamine electrosynthesis enabled by high-density atomic copper sites and a well-engineered electrolysis reactor

电合成 羟胺 电解 糠醛 无机化学 化学 材料科学 化学工程 乙酰丙酮 原材料 胺化 选择性 催化作用 氨生产 自催化
作者
Weiliang Zhou,Qihua Huo,Shuai Qi,Taiyu Liang,Jiao You,Chunyan Shang,Hengpan Yang,Xi Zhang,Lele Peng,Qi Hu,Chuanxin He
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (19): eaed7671-eaed7671
标识
DOI:10.1126/sciadv.aed7671
摘要

Furfurylamine is an essential feedstock for diverse agrochemicals and pharmaceuticals; however, industrial-scale thermochemical furfurylamine production is plagued by high energy consumption and considerable greenhouse gas emissions. Here, we propose an electrosynthesis approach for converting biomass-derived furfural to furfurylamine, using nitrate as the nitrogen source under ambient conditions. We observe that single atomic copper (Cu-SA) sites favor the C─N coupling of nitrate-derived hydroxylamine and furfurals over hydroxylamine hydrogenation to ammonia (preferred by Cu subnanoclusters and nanoparticles), endowing Cu-SA with unique advantages in facilitating furfurylamine production. To enable industrial-scale furfurylamine production and suppress by-product formation, we design a single-pass continuous flow reactor with the separate liquid feeding of furfural and alkaline nitrate solutions and construct the highly dense Cu-SA sites. This integration achieves a large current of 2.3 amperes at a cell voltage of 1.9 volts, accompanied by an 84.53% single-pass conversion rate and 100% selectivity toward furfurylamine. Notably, techno-economic analysis demonstrates the profitability of our electrosynthesis furfurylamine route.
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