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文献题目：Facet effect on the reconstructed Cu-catalyzed electrochemical hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) towards 2,5-bis(hydroxymethy)furan (BHMF)
文献期刊：Journal of Energy Chemistry
DOI：10.1016/j.jechem.2023.05.003
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本研究探讨了泡沫铜（CF）表面原子排列重构对5-羟甲基糠醛（HMF）电化学氢化为2,5-双（羟甲基）呋喃（BHMF）的影响。通过两步氧化-还原策略，本研究成功重构了CF表面，增强了BHMF的法拉第效率（FE）和HMF转化率。实验结合了多种准原位/原位技术、密度泛函理论（DFT）计算，揭示了金属铜晶体的晶面效应对反应的决定性影响。Cu(110)晶面因其与反应物的增强化学吸附和BHMF的选择性生产而成为最有利的表面，而Cu(100)晶面可能导致副产品5,5-双（羟甲基）呋喃（BHH）的积累。在优化后的Cu(OH)2ER/CF上，BHMF的FE达到92.3%，HMF转化率达到98.5%，在-0.15 V vs. RHE的电位下，0.1 M KOH溶液中性能显著提升。这项工作为Cu催化的HMF电化学氢化提供了理论基础，并为高效催化电极的精确设计提供了新的见解。
Scheme 1. HMFHR的典型产品
主要研究成果
Fig 1. （a）典型 Cu（OH）2-ER/CF 的两步氧化还原改性图示;（b）新鲜CF；（c）Cu（OH）2/CF 和（d）Cu（OH）2-ER/CF 的 SEM 图像。
Fig 2. （a）GIXRD 图样；（b）OH- EA 的CV曲线；（c）Pb UPD与（d）中的拟合结果，以及（e）通过上述三次测量获得的相应刻面比。
Fig 3. （a）在 0.1 M KOH中采集的LSV曲线，在四个电极上用 50 mM HMF（实线）或不含（虚线）50 mM HMF；HMF Conv. Sel. FE和 BHMF在不同电位下对（c）Cu（OH）2-ER/CF 和 （d）0.15 V下的四个对比电极与RHE在 30 mL 电解质和 5 mM HMF 中的生产率。
Fig 4. （a）电极上 HMFHR 的起始电位间隙和 （b） Cu（OH）2-ER/CF 上的产品曲线，有或没有 0.5 mM MPA 的修饰;（c）底物分子的吸附行为，数字代表吸附能;（d）二聚体路径的自由能图和 （e） CBMF路径的 RDS 和 Cu（111） 模型上的二聚体路径的反应势垒比较。
Fig 5. （a） Cu（110） 和 （b） Cu（100） 单晶的 XRD 摇摆曲线;产品概况包括 （c） HPLC 色谱图和 （d） Cu （110） 和 Cu （100） 单晶上的 HMF Conv.、BHMF Sel 和 BHH Sel 。
Fig 6.（a）Cu（OH）2-ER/CF 和（b）CF-ER 上的原位拉曼光谱。
Fig 7.（a） OCP 和 （b） 在不同电极上用 O2 和 N2 吹扫的含 HMF 电解质中采集的产品曲线;（c） DFT 对 *O2 和 *HMF 在不同 Cu 面上的吸附能比较，以及 （d） BHH FE 和 BHMF 生产率与 GIXRD 中 Cu（100） 到 Cu（111） 刻面和 Cu（110） 到 Cu（100） 刻面的相对强度的相关性。
结论
本研究通过两步氧化-还原策略成功重构了泡沫铜（CF）表面，显著提高了5-羟甲基糠醛（HMF）电化学氢化为2,5-双（羟甲基）呋喃（BHMF）的效率。研究发现，Cu(110)晶面对于BHMF的选择性生产至关重要，因为它能增强与反应物的化学吸附并促进BHMF的选择性生成，而Cu(100)晶面可能导致副产品BHH的积累。通过优化晶面组成，重构的Cu(OH)2ER/CF在-0.15 V vs. RHE的电位下，实现了92.3%的BHMF法拉第效率和98.5%的HMF转化率。这一发现不仅揭示了Cu催化剂在HMF电化学氢化过程中的结构-活性关系，而且为设计高效、耐用的催化电极提供了理论基础，有助于生物质衍生物的高值化利用。
