Forscher erreichen effiziente Elektrooxidation von Glycerin zu Formiat bei Raumtemperatur

Glycerin ist ein wichtiges Nebenprodukt der Biodieselherstellung und seine Produktion ist proportional zum Wachstum der Biodieselproduktion gestiegen. Die Glycerin-Elektrooxidation gilt aufgrund ihres geringen theoretischen Potenzials und der Eliminierung der Notwendigkeit externer toxischer Oxidationsmittel, Sauerstoff unter Druck und hoher Temperaturen als innovative Strategie.

Katalysatoren auf Ni-Basis sind in großen Mengen verfügbar, kostengünstig und korrosionsbeständig und werden für Glycerin-Elektrooxidationsreaktionen verwendet. Das Anfangspotential ist jedoch vom hohen Erzeugungspotential von NiOOH abhängig, das 1,35 V gegenüber RHE beträgt, was zu einer schlechteren Elektrooxidationsaktivität führt.

In einer Studie veröffentlicht in Angewandte Chemie – Internationale AusgabeEin Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Wu Zhongshuai und Prof. Xiao Jianping vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte einen hochaktiven Katalysator aus einer Cu-dotierten NiCo-Legierung (Cu-NiCo/NF) und konstruierte ein energiesparendes Nitratreduktionssystem gekoppelt mit einer Glycerinoxidation, wodurch eine hohe Glycerin-Elektrooxidationsaktivität und Selektivität zur Herstellung von Formiat bei Raumtemperatur erreicht wurde.

Die Forscher stellten diesen neuartigen Hochleistungslegierungskatalysator, Cu-NiCo/NF, durch einstufige galvanische Abscheidung her. Der Katalysator zeigte eine außergewöhnliche Leistung bei der Glycerinoxidationsreaktion (GOR) und benötigte nur 1,23 und 1,33 V vs. RHE, um 10 bzw. 100 mA cm-2 zu erreichen, während er eine Faraday-Effizienz für Formiat von 93,8 % erreichte.

Anschließend bestätigten die Forscher die strukturelle Stabilität des Cu-NiCo/NF-Katalysators. Sie stellten fest, dass die rasche Bildung von NiIII-OOH und CoIII-OOH als aktive Spezies während der GOR umgehend verbraucht wurde und dass die Cu-Dotierung in NiCo die Energiebarriere und △G des CO-Kopplungsprozesses verringerte, was zu einer besseren Leistung der elektrokatalytischen GOR führte.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass der Cu-NiCo/NF-Katalysator eine hohe Aktivität und Selektivität bei der Nitratreduktionsreaktion (NO3-RR) aufwies.

Unter Verwendung von Cu-NiCo/NF als bifunktionellem Katalysator entwickelten die Forscher ein NO3-RR||GOR-System zur gleichzeitigen Produktion von NH3 und Formiat, das nur 1,11 und 1,37 V benötigte, um 10 bzw. 100 mA cm-2 zu erreichen. Das System zeigte eine ausgezeichnete Langzeitstabilität von bis zu 144 Stunden, wobei Ameisensäure das Hauptprodukt an der Anode blieb. Als die Glycerinumwandlungsrate 87,6 % erreichte, betrug die Bildungsausbeute 80,6 %.

„Diese Arbeit entwickelt nicht nur einen bifunktionalen Elektrokatalysator für GOR und Nitratreduktion mit hoher katalytischer Aktivität, sondern bietet auch eine neue Strategie für die elektrochemische Raffinerie mit Produktverbesserungen“, sagte Prof. Wu.