Enhanced Glycerol Electrooxidation Capability of NiO by Suppressing the Accumulation of Ni4+ Sites

非阻塞I/O 材料科学 催化作用 析氧 电化学 化学工程 密度泛函理论 无机化学 物理化学 电极 化学 计算化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Baojun Long,Qi Zhang,Mingyu Yang,Yuchan Li,Haiquan Liu,Dong He,Wenqing Li,Z. J. Ke,Xiangheng Xiao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (9): 13794-13803 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.4c18860
摘要

Glycerol electrooxidation (GOR), as a typical nucleophilic biomass oxidation reaction, provides a promising anodic alternative for coupling green hydrogen generation at the cathode. However, the challenges of identifying active sites and elucidating reaction mechanisms greatly limit the design of high-performance catalysts. Herein, we use NiO and Ni/NiO as model catalysts to investigate glycerol oxidation. Electrochemical measurements and operando spectroscopic studies uncovered that Ni2+/Ni3+ species are the true active sites of NiO for GOR at lower potentials. However, the Ni2+/Ni3+ species formed on the NiO surface were easily converted to Ni4+ species (NiO2) at higher potentials, which not only contributed to the overoxidation of glycerol electrolysis products but also worked as the main active sites of the competitive oxygen evolution reaction (OER), resulting in the rapid decay of Faradic efficiencies (FEs) at high potentials. Interestingly, for Ni/NiO, only Ni3+ species were formed on the surface. Experimental and density functional theory (DFT) investigations indicated that due to the relatively lower average valence state of Ni in Ni/NiO and strong electronic interaction on the Ni/NiO interface, the surface reconstruction of Ni/NiO was effectively manipulated. Only Ni/NiO → NiOOH (Ni3+) transformation was observed, and the formation of Ni4+ species was greatly suppressed. As a result, Ni/NiO delivered superior GOR activity, and the FE did not drop apparently at high potentials. This work offers mechanistic insight into how to identify and maintain the true active sites of catalytic materials for value-added nucleophile electrooxidation reactions.
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