Förderung der elektrochemischen Hydrierung von Furfural durch synergistische aktive Cu⁰-Cu⁺-Stellen

In einer Studie ist in veröffentlicht Wissenschaft China Chemie und unter der Leitung von Prof. Yuqin Zou (College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan University) wurden Experimente unter Verwendung einer Reihe von In-situ-Charakterisierungen und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt.

Es ist bemerkenswert, dass die experimentellen Befunde zeigen, dass die Cu0-katalysierte Furfuralhydrierung ohne Cu+ eine langsame Hydrierungsgeschwindigkeit und schlechte Selektivität aufweist. Im Gegensatz dazu besitzen die aktiven Cu0-Cu+-Stellen eine hervorragende Leistung bei der selektiven Hydrierung von Furfural zur Herstellung von Furfurylalkohol.

Darüber hinaus zeigt dieser katalytische Vorteil eine deutliche Potentialabhängigkeit mit einer regelmäßigen Abnahme der Furfural-selektiven Hydrierleistung, wenn eine Abnahme des Potentials zu einer Abnahme des Cu+-Anteils führt.

„Katalysatoren auf Cu-Basis haben eine hervorragende katalytische Leistung für die elektrochemische Hydrierung von Furfural zur Herstellung von Furfurylalkohol gezeigt. Die wahre aktive Stelle der Reaktion bleibt jedoch unklar. Gemischtvalente Cu-Oxid-Katalysatoren zeigen eine hervorragende Furfurylalkohol-Selektivität, sind jedoch durch die dynamische Elektrokatalysatoroberfläche begrenzt während der Katalyse. In-situ-Erfassung der wahren Reaktionsaktivitätsstellen und damit Einblick in den Ursprung der elektrochemischen Hydrierungsaktivität des Cu-basierten Katalysators Furfural ist notwendig. Diese Arbeit könnte die optimale Gestaltung aller elektrokatalytischen Hydrierungsprozesse für organische Stoffe mit Cu-basierten Katalysatoren beeinflussen“, Zou sagt.

Hierin wurde der Oxidationszustand des hergestellten CuO-Nanodrahts unter der ECH von Furfural durch In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) verfolgt. Die Koexistenz von Cu0- und Cu+-Zuständen während der Elektrohydrierung wurde bestätigt. Darüber hinaus bewies das Vergiftungsexperiment die entscheidende Rolle von Cu+ im Furfural-ECH.

Schließlich wurden die Reaktionsenergiebarrieren des Furfural-ECH auf Cu(111), Cu2O(111) und Cu0-Cu+ mittels Dichtefunktionaltheorie(DFT)-Berechnung analysiert. Daraus wird geschlossen, dass aktive Cu0-Cu+-Stellen auf der Oberfläche von CuO synergistisch die Umwandlung von Furfural zu Furfurylalkohol bewirken, und die jeweiligen Rollen von Cu0 und Cu+ wurden ebenfalls aufgedeckt: Cu+ beschleunigt den zweiten Schritt des Hydrierungsprozesses von Furfural und Cu0 reduziert die Energiebarriere für die Desorption von Furfurylalkohol.