01
研究背景
糠醛一直被认为是最有前景的生物质平台化合物之一，可转化为高附加值化学品（如氢化糠醛、2-甲基呋喃、四氢呋喃、糠醇、四氢呋喃醇、2-甲基四氢呋喃），也可升级为功能材料（如合成树脂、电绝缘材料、尼龙、涂料和药品）。虽然传统的糠醛热催化转化法效果显著，但需要高温、高压等苛刻的条件。通过电催化的方法还原糠醛逐渐引起了人们的广泛关注，然而，糠醛的还原产物众多，且电解时存在氢析出反应 (HER) 的竞争，导致了较低的产物选择性和法拉第效率。因此，开发高效电催化糠醛为糠醇的催化剂具有重要意义。
02
研究内容
近日，南京林业大学陈祖鹏课题组开发了一种通过循环伏安法 (CV) 离子交换与电沉积法在多孔银上自组装球形铜微粒 (Cux/PAg) 合成铜催化剂的简便方法（图1）。SEM 说明了 CV 处理有效改善了 Ag 箔的粗糙度，结合 TEM 图证实了球状的铜颗粒沉积在多孔银表面。HR-TEM 图还检测到 Cu2O 的晶格条纹，说明铜是以 Cu 和 Cu2O 复合态沉积在多孔银表面的（图2）。SEM-EDS 图说明了 Cu 在 PAg 表面均匀沉积，只有少量的 Cu2O 在 PAg 表面，Cu 在 PAg 表面占主导。
图1 Cux/PAg 催化剂制备流程示意图
图2 (a) Ag 箔，(b) PAg 和 (c) Cu/PAg 催化剂的 SEM 图；(d-f) Cu1.15/PAg 催化剂的 TEM 图; (g-j) Cu1.15/PAg 催化剂的 SEM-EDS 图。
随后，作者对催化糠醛加氢性能进行了研究（图3），结果发现 Cu1.15/PAg 催化剂表现出优异的糠醇选择性和法拉第效率。多孔结构增加了催化剂的表面积，更有利于催化反应的发生，Cu 的引入降低了 HER 的过电位，这使得 HER 受到大大抑制，Hads 与糠醛接触的机会增多，有利于糠醛的电加氢。低的反应电位限制了糠醛的转化，而过高的电位会导致 HER 竞争激励，因此最佳的反应电位为 -1.2 V vs. RHE。糠醛绝大部分转化为糠醇，只有少量的二聚产物 HFN 生成。
图3 Cu1.15/PAg催化剂电催化糠醛的性能
对催化反应路径的研究结果表明，在 Cu1.15/PAg 催化剂上糠醛电加氢生成糠醇的主要途径是电催化加氢（ECH）路径，反应依赖于 Hads。Hads 是由水分子通过沃尔默反应生成，在催化剂表面与糠醛竞争活性位点的同时消耗 FFads 完成加氢过程。而二聚产物 HFN 则是通过质子耦合电子转移过程得到，不依赖于 Hads，是直接电还原过程。
图4 Cu1.15/PAg 催化剂电催化糠醛的反应路径
作者利用原位拉曼光谱对反应过程进行了监测，说明了施加电压有利于糠醛在催化剂表面的富集，由于催化剂表面活性位点有限，糠醛浓度过高导致 Hads 不足以持续供给生成糠醇，因此二聚物生成增多。浓度和 pH 依赖实验进一步证明了平衡催化剂表面的 Hads 和 FFads 是实现高效转化糠醛为糠醇的关键。
03
论文信息
Electrochemical hydrogenation of furfural under alkaline conditions with enhanced furfuryl alcohol selectivity by self-grown Cu on a Ag electrode
Huiming Wen, Ziyi Fan, Shuo Dou, Jason Chun-Ho Lam, Wenjun Zhang and Zupeng Chen
Inorg. Chem. Front., 2024, 11, 4449-4458
https://doi.org/10.1039/D4QI00763H
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04
通讯作者简介
陈祖鹏 教授
南京林业大学
陈祖鹏，教授，博士生导师。南京林业大学化工学院林产化工系系主任（国家级重点学科，双一流A+建设学科），"可持续纳米催化"课题组组长。专注于高效多相催化剂设计开发，以及在生物质/木质素催化转化、能源催化等领域应用研究。曾获得马普学会博士生奖学金、德国洪堡学者（合作导师：Matthias Beller 教授）、江苏省特聘教授。拥有材料化学、光电催化、选择性加氢、有机碳碳偶联、生物质转换等方面的经验。已在 Chem. Rev., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Adv. Mater. Angew. Chem. 等国际 SCI 期刊发文 >100 篇，封面文章 14 篇，ESI 高被引论文 13 篇，热点论文 3 篇。其中第一作者或通讯作者 50 篇，论文被引>8000（H-index 40）。研究工作得到专业期刊及新闻媒体的广泛报道，并获得国际同行的积极评价。
结合个人研究背景和南京林业大学的研究特色，课题组的研究内容主要集中于：
高效多相催化剂的设计合成
生物质催化转化：木质素选择转化、生物质能源与化学品高值化、生物质碳的制备与利用
选择性加氢和氧化
CO2 催化制备高附加值化合物
05
招聘启事
因课题发展需要，南京林业大学陈祖鹏课题组现诚招副教授、博士后、博士、硕士，欢迎具有化学、化工、材料背景，对纳米材料、多相催化、生物质催化转化、光（电）催化感兴趣的有志之士加入研究团队。
具体情况参见小木虫：http://muchong.com/t-14358413-1
课题组网页：https://www.x-mol.com/groups/Chen_Zupeng
感兴趣者可邮件联系：czp@njfu.edu.cn
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