Biomasse gehört zu den am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Ressourcen auf der Erde. Durch katalytische Umwandlung kann Biomasse in eine Reihe von Kraftstoffen und Chemikalien umgewandelt werden, die traditionelle fossile Ressourcen ersetzen können und so eine entscheidende Rolle bei der Erreichung des Ziels „CO2-Peaking und CO2-Neutralität“ spielen.
Eine Gruppe chinesischer Wissenschaftler hat eine neuartige MAX-Phase mit einatomigen Kobaltschichten entwickelt, die eine hocheffiziente Elektrokatalyse der 5-Hydroxymethylfurfural (HMF)-Oxidation in Verbindung mit der Wasserstoffentwicklung ermöglicht. Die Arbeit ist veröffentlicht im Zeitschrift für Chemieingenieurwesen.
MAX-Phasen sind eine Familie geschichteter ternärer Metallcarbide oder -nitride, die aufgrund ihrer herausragenden Strukturvielfalt, mechanischen Eigenschaften und ihres Anwendungspotenzials große Aufmerksamkeit als Strukturmaterialien auf sich gezogen haben.
Das Team von Prof. Zhang Jian am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) stellt in Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Huang Qing am NIMTE und Prof. LI Youbing an der Soochow-Universität Kobalt vor, a hochkatalytisches und kostengünstiges Übergangsmetall, in die A-Stelle der MAX-Phasen.
Die erhaltene V2(Sn2/3Co1/3)C MAX-Phase wurde als hocheffizienter Elektrokatalysator für die HMF-Oxidation zusammen mit der Wasserstoffentwicklung in einem alkalischen Elektrolyten eingesetzt. Dadurch wurde eine vollständige HMF-Umwandlung der Biomasse und eine Ausbeute an 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) von 94,4 % bei 1,60 V über sechs Stunden im Zwei-Elektroden-System erreicht.
Darüber hinaus erreichte die FDCA-Produktionsrate 8,02 ± 0,64 mmolFDCA⋅gcat.-1⋅h-1 im 100 mM HMF-Elektrolyten und übertraf damit viele herkömmliche Elektrokatalysatoren und Thermokatalysatoren.
Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) zeigten, dass die Co-Sn-Synergie in der A-Stelle die Adsorption und elektrokatalytische Umwandlung von HMF erleichterte und somit MAX-Phasen von Strukturmaterialien in funktionelle Materialien umwandelte.
Darüber hinaus kann HMF die Oberflächenrekonstruktion von MAX-Phasen und die konkurrierende Sauerstoffentwicklungsreaktion erheblich hemmen. Daher blieb die Struktur der MAX-Phasen auch nach der Elektrolyse in einem aggressiven alkalischen 1 M KOH-Elektrolyten intakt.
Die hervorragende elektrokatalytische Leistung und strukturelle Stabilität der Biomasseaufbereitung zeigten das breite Potenzial von MAX-Phasen für Anwendungen in der Energiespeicherung, der grünen Katalyse und anderen anspruchsvollen chemischen Umgebungen.
Weitere Informationen:
Bin Zhu et al., Verbesserte Einzelatom-Kobaltschicht in der MAX-Phase für die Elektrooxidation von Biomasse, integriert mit Wasserstoffentwicklung, Zeitschrift für Chemieingenieurwesen (2024). DOI: 10.1016/j.cej.2024.155891