Mechanisms of Furfural Reduction on Metal Electrodes: Distinguishing Pathways for Selective Hydrogenation of Bioderived Oxygenates

化学 糠醛 氢解 本体电解 电化学 产品分销 电解 催化作用 电催化剂 选择性 氧合物 电解质 组合化学 循环伏安法 无机化学 电极 有机化学 物理化学
作者
David J. Chadderdon,David J Chadderdon,John E. Matthiesen,Yang Qiu,Jack M. Carraher,Jean‐Philippe Tessonnier,Wenzhen Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (40): 14120-14128 被引量:348
标识
DOI:10.1021/jacs.7b06331
摘要

Electrochemical reduction of biomass-derived platform molecules is an emerging route for the sustainable production of fuels and chemicals. However, understanding gaps between reaction conditions, underlying mechanisms, and product selectivity have limited the rational design of active, stable, and selective catalyst systems. In this work, the mechanisms of electrochemical reduction of furfural, an important biobased platform molecule and model for aldehyde reduction, are explored through a combination of voltammetry, preparative electrolysis, thiol-electrode modifications, and kinetic isotope studies. It is demonstrated that two distinct mechanisms are operable on metallic Cu electrodes in acidic electrolytes: (i) electrocatalytic hydrogenation (ECH) and (ii) direct electroreduction. The contributions of each mechanism to the observed product distribution are clarified by evaluating the requirement for direct chemical interactions with the electrode surface and the role of adsorbed hydrogen. Further analysis reveals that hydrogenation and hydrogenolysis products are generated by parallel ECH pathways. Understanding the underlying mechanisms enables the manipulation of furfural reduction by rationally tuning the electrode potential, electrolyte pH, and furfural concentration to promote selective formation of important biobased polymer precursors and fuels.
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