Parameterization and quantification of two key operando physio-chemical descriptors for water-assisted electro-catalytic organic oxidation

催化作用 吸附 化学 催化氧化 析氧 化学工程 无机化学 电化学 物理化学 有机化学 电极 工程类
作者
Bailin Tian,Fangyuan Wang,Pan Ran,Luhan Dai,Yang Lv,Yuxia Sun,Zhangyan Mu,Yamei Sun,Lingyu Tang,William A. Goddard,Mengning Ding
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-54318-7
摘要

Electro-selective-oxidation using water as a green oxygen source demonstrates promising potential towards efficient and sustainable chemical upgrading. However, surface micro-kinetics regarding co-adsorption and reaction between organic and oxygen intermediates remain unclear. Here we systematically study the electro-oxidation of aldehydes, alcohols, and amines on Co/Ni-oxyhydroxides with multiple characterizations. Utilizing Fourier transformed alternating current voltammetry (FTacV) measurements, we show the identification and quantification of two key operando parameters (ΔIharmonics/IOER and ΔVharmonics) that can be fundamentally linked to the altered surface coverage ( $$\Delta {\theta }_{{{{{\rm{OH}}}}}^{*}}/{\theta }_{{{{{\rm{OH}}}}}^{*}}^{{{{\rm{OER}}}}}$$ ) and the changes in adsorption energy of vital oxygenated intermediates ( $${\Delta G}_{{{{\rm{OH}}}}*}^{{{{\rm{EOOR}}}}}-{\Delta G}_{{{{\rm{OH}}}}*}^{{{{\rm{OER}}}}}$$ ), under the influence of organic adsorption/oxidation. Mechanistic analysis based on these descriptors reveals distinct optimal oxyhydroxide surface states for each organics, and elucidates the critical catalyst design principles: balancing organic and M3+δ−OH* coverages and fine-tuning ΔG for key elementary steps, e.g., via precise modulation of chemical compositions, crystallinity, defects, electronic structures, and/or surface bimolecular interactions. Water-assisted electro-catalytic selective oxidation is promising for sustainable production of value-added chemicals. Here the authors quantify two key physio-chemical parameters for efficient mechanistic investigation and rational catalyst design.
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