文献信息
题目：（Sustainable Furfural Biomass Feedstocks Electrooxidation toward Value-Added Furoic Acid with Energy-Saving H₂ Fuel Production Using Pt-Decorated Co₃O₄ Nanospheres）
期刊：《能源与环境材料》（Energy & Environmental Materials）
DOI 号：10.1002/eem2.12563
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生物质精炼聚焦于达成碳中和经济，利用生物质不会改变生态系统碳平衡。糠醛作为常见生物质原料，可通过碳水化合物脱水/水解得到，能电催化氧化为糠酸，在多行业具有重要意义。本文采用脉冲激光烧蚀液相法（PLAL）制备Pt修饰的Co₃O₄纳米球（Pt-Co₃O₄），用于析氢反应（HER）和糠醛氧化反应（FOR）的配对电催化。在1.0 M KOH/50 mM糠醛电解液中，1.55 V（相对于可逆氢电极）下电解2小时，FOR的糠醛转化率达44.2%，主要产物为糠酸。Pt-Co₃O₄电极在10 mA cm⁻²时过电位为290 mV，在电解槽体系中，作为阳极和阴极时，仅需约1.83 V的外加电池电压就能达到10 mA cm⁻²，低于纯水电解槽（约1.99 V），实现了阴极节能H₂燃料和阳极糠酸的集成生产。
主要研究问题
生物质的精炼对于实现碳中和经济意义重大，利用生物质不会改变生态系统碳平衡。糠醛作为常见生物质原料，可通过碳水化合物脱水/水解获得，且能电催化氧化为糠酸，在多个行业中具有重要价值。本研究旨在探究糠醛电催化氧化与HER耦合的过程，重点关注电化学整体水分解（OWS）中OER半反应的瓶颈问题，期望通过用糠醛氧化替代动力学缓慢的O₂析出反应（OER），实现节能H₂燃料生产以及高附加值糠酸的合成，同时研究高效电催化剂的制备及其在相关反应中的性能表现。
结论
本研究通过脉冲激光烧蚀液相法（PLAL）成功合成了Pt-Co₃O₄纳米球，该纳米球作为双功能电催化剂，有效提升了可及的电化学活性表面积（ECSA）。在析氢反应（HER）中，于碱性介质里，Pt-Co₃O₄电催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下展现出低至290 mV的过电位，表现出优异的电催化性能。在H型电池系统进行的半电池糠醛氧化反应（FOR）中，实现了约44.2%的高糠醛转化率，糠酸产量可达13.2 mM。由Pt-Co₃O₄作为阴极和阳极构成的两电极电解槽系统，在阳极生成糠酸，阴极产出H₂燃料，并且在低电压（约1.83 V）下就能达到10 mA cm⁻²的电流密度，成功实现了高附加值糠酸和节能H₂燃料的集成生产。
图表分析
### 图1
- **图1a**：展示了通过脉冲激光烧蚀液相法（PLAL）合成纯Co₃O₄和Pt-Co₃O₄纳米球的过程，包括反应前准备、PLAL过程中离子相互作用及最终纳米球形成阶段，有助于理解合成机制。
- **图1b**：XRD图谱表明两种样品具有对应于立方Co₃O₄的特征峰，Pt-Co₃O₄还有立方Pt纳米颗粒的微弱峰，说明成功合成且保持相纯度，为结构分析提供依据。
- **图1c**：Raman光谱显示样品的Raman活性模式符合Co₃O₄正常尖晶石结构，Pt-Co₃O₄中峰强度变化与晶格畸变有关，辅助证明材料结构特点。
### 图2
- **图2a、c**：FE - SEM与EDS映射图像呈现出Pt-Co₃O₄和Co₃O₄的球形形貌及元素分布，Pt-Co₃O₄中Pt纳米颗粒在Co₃O₄表面的均匀沉积情况清晰可见，证实样品组成和纯度。
- **图2b、d**：HR - TEM展示了样品的晶面间距，与XRD结果相互印证，进一步确定材料的晶体结构特征。
### 图3
- **图3a - d**：XPS光谱分别展示了Co₃O₄和Pt-Co₃O₄的整体扫描、Co 2p、O 1s和Pt 4f核心能级光谱，表明Pt纳米颗粒成功修饰在Co₃O₄表面且存在强相互作用，有助于分析材料表面化学组成及元素价态。
### 图4
- **图4a**：线性扫描伏安法（LSV）曲线显示Pt-Co₃O₄在1.0 M KOH中具有较低的析氢反应（HER）过电位，与Co₃O₄对比体现其电催化HER性能增强。
- **图4b、c**：过电位和Tafel斜率数据直观表明Pt-Co₃O₄在HER中的性能优势，为HER动力学研究提供数据支持。
- **图4d**：Nyquist图及计算的电荷转移电阻（Rct）值显示Pt-Co₃O₄具有更好的本征性质，如快速电荷转移和高导电性，解释了其性能优异的原因。
- **图4e**：TOF值评估了电催化剂活性位点的活性程度，表明Pt-Co₃O₄活性位点反应活性高。
- **图4f**：Cdl值显示Pt-Co₃O₄电化学活性表面积增加，提供了反应活性位点数量相关信息。
### 图5
- **图5a、b**：LSV曲线展示了Co₃O₄和Pt-Co₃O₄在1.0 M KOH中有无50 mM糠醛时的糠醛氧化反应（FOR）活性，表明糠醛氧化比水氧化更有利，且Pt-Co₃O₄在氧化电位下性能更好。
- **图5c**：对比不同电位下的电流密度，体现了糠醛存在时对反应电流密度的显著提升作用，突出糠醛对反应的促进效果。
- **图5d**：法拉第效率和碳平衡数据表明Pt-Co₃O₄在FOR中对糠醛转化为糠酸具有更高的效率和选择性，量化了反应产物相关信息。
### 图6
- **图6a**：展示了组装的以Pt-Co₃O₄为阳极和阴极的H型电解槽实物图，直观呈现实验装置。
- **图6b**：极化曲线显示了Pt-Co₃O₄在纯水电解和糠醛辅助电解中的性能，对比体现糠醛对降低电解电压的作用。
- **图6c**：明确了在不同电流密度下，糠醛辅助电解槽相比纯水电解槽所需电压更低，突出了节能效果。
- **图6d**：电流密度对比进一步证明了糠醛辅助电解槽在较低电压下能实现较高电流密度，体现其在节能同时高效生产的优势。
