FDCA有望在化工生產(chǎn)中取代對苯二甲酸合成聚合物，是一種重要的近市場化工產(chǎn)品，主要通過熱催化、光催化、電催化等方式氧化HMF得到。其中，電化學策略可與電化學析氫反應(yīng)(HER)或電催化有機氫化合成結(jié)合，產(chǎn)生額外的高附加值產(chǎn)品，并提高能量轉(zhuǎn)換效率。可持續(xù)和更節(jié)能的電催化FDCA合成工藝是燃料電池研究中的熱點。
燃料電池作為一種可持續(xù)的能量轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)，因其能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點得到廣泛研究和發(fā)展。燃料電池技術(shù)包含兩個重要的化學反應(yīng)——陽極的燃料氧化反應(yīng)和陰極氧還原反應(yīng)(ORR)，均需要利用高效且價格相對低廉的催化劑以降低反應(yīng)能壘，進而提高反應(yīng)動力學。
基于此，研究人員設(shè)計出氧還原與有機合成相結(jié)合的直接HMF燃料電池(DHMF-FC)形式;采用浸漬、熏硫與煅燒的策略，合成了雙功能PtNiSx催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，鉑與硫化鎳間存在界面，Pt和NiSx納米顆粒之間密切的相互作用與界面效應(yīng)使得該催化劑具有良好的電化學ORR和HMF氧化催化活性。此外，NiSx的引入有利于ORR四電子反應(yīng)過程的進行，硫元素也可有效防止金屬顆粒的團聚。半電池的電化學測試和ICP-AES測試結(jié)果顯示，PtNiSx/CB具有優(yōu)異的ORR與OER性能，電化學活性面積(79 m2 gPt-1)高于商業(yè)Pt/C(64 m2 gPt-1)，且其中鉑的負載量(7.60 wt%)低于商業(yè)鉑碳(20 wt%)。加入HMF后的燃料電池在60℃時，開路電壓為0.52 V，放電效率達2.12 mW cm-2，電流密度為6.8 mA cm-2;對放電反應(yīng)電解液進行液相色譜檢測，發(fā)現(xiàn)HMF幾乎完全轉(zhuǎn)化為FDCA，轉(zhuǎn)化率接近98%，選擇性達到100%。該研究有助于設(shè)計和發(fā)展雙功能的燃料電池電催化劑。
研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。
圖1.（a）Pt/CB, NiSx/CB和PtNiSx/CB的XRD圖譜；（b）PtNiSx/CB的HAADF-STEM圖像及粒徑分布圖，HRTEM圖像（c）和EDS能譜（d）
圖2.Pt/CB, NiSx/CB，PtNiSx/CB和商業(yè)Pt/C的（a）CV曲線和（b）LSV曲線；在加入HMF之前和之后PtNiSx/CB的LSV曲線（c）； PtNiSx/CB在不同溫度下的LSV曲線（d）
圖3.DHMF-FC在不同溫度下的（a）開路電壓和（b）放電極化曲線與功率；（c）在恒電流下的電壓-時間曲線，電流密度-時間曲線和累計電量-時間曲線；（d）恒電流反應(yīng)中反應(yīng)物質(zhì)占比-時間曲線
圖4.直接5-羥甲基糠醛燃料電池裝置示意圖
