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Cooperative Rh-O5/Ni(Fe) Site for Efficient Biomass Upgrading Coupled with H2 Production

化学 催化作用 双功能 吸附 分子 纳米孔 电泳剂 电解 制氢 无机化学 光化学 物理化学 有机化学 电极 电解质
作者
Lingyou Zeng,Yanju Chen,Mingzi Sun,Qizheng Huang,Kaian Sun,Jingyuan Ma,Jiong Li,Hao Tan,Menggang Li,Yuan Pan,Yunqi Liu,Mingchuan Luo,Bolong Huang,Shaojun Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (32): 17577-17587 被引量:137
标识
DOI:10.1021/jacs.3c02570
摘要

Designing efficient and durable bifunctional catalysts for 5-hydroxymethylfurfural (HMF) oxidation reaction (HMFOR) and hydrogen evolution reaction (HER) is desirable for the co-production of biomass-upgraded chemicals and sustainable hydrogen, which is limited by the competitive adsorption of hydroxyl species (OHads) and HMF molecules. Here, we report a class of Rh-O5/Ni(Fe) atomic site on nanoporous mesh-type layered double hydroxides with atomic-scale cooperative adsorption centers for highly active and stable alkaline HMFOR and HER catalysis. A low cell voltage of 1.48 V is required to achieve 100 mA cm-2 in an integrated electrolysis system along with excellent stability (>100 h). Operando infrared and X-ray absorption spectroscopic probes unveil that HMF molecules are selectively adsorbed and activated over the single-atom Rh sites and oxidized by in situ-formed electrophilic OHads species on neighboring Ni sites. Theoretical studies further demonstrate that the strong d-d orbital coupling interactions between atomic-level Rh and surrounding Ni atoms in the special Rh-O5/Ni(Fe) structure can greatly facilitate surface electronic exchange-and-transfer capabilities with the adsorbates (OHads and HMF molecules) and intermediates for efficient HMFOR and HER. We also reveal that the Fe sites in Rh-O5/Ni(Fe) structure can promote the electrocatalytic stability of the catalyst. Our findings provide new insights into catalyst design for complex reactions involving competitive adsorptions of multiple intermediates.
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