第一作者：Marshet Getaye Sendeku，Karim Harrath

通訊作者：王楓梅，孫曉明，段昊泓

通訊單位：北京化工大學(xué)，清華大學(xué)

王楓梅，北京化工大學(xué)見習(xí)教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)殡姶呋咧祷瘜W(xué)品聯(lián)產(chǎn)綠氫。先后主持國家級和省部級項(xiàng)目5項(xiàng)，參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃1項(xiàng)。

孫曉明，北京化工大學(xué)教授，2004年清華大學(xué)特等獎(jiǎng)學(xué)金，2007年“全國百篇優(yōu)秀博士論文”獲得者，2011年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助，2017年入選科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃，2019年入選“牛頓高級學(xué)者基金”資助。

段昊泓，清華大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家。研究興趣包括納米催化和電催化。

論文速覽

在電極材料的固有活性位點(diǎn)上進(jìn)行操控，對于高效電化學(xué)生物質(zhì)以高選擇性升級為有價(jià)值的化學(xué)品至關(guān)重要。本論文研究了一種二維（2D）層狀CdPS₃納米片電催化劑的原位表面重構(gòu)現(xiàn)象，該重構(gòu)由電解質(zhì)觸發(fā)，有效促進(jìn)了5-羥甲基糠醛（HMF）在常溫下加氫轉(zhuǎn)化為2, 5-雙(羥甲基)呋喃（BHMF）。

通過原位拉曼光譜和詳盡的催化劑表征，證實(shí)了CdPS₃表面形成了表面結(jié)合的CdS層，形成了CdPS₃/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在-0.7 V下，該電催化劑催化HMF生成BHMF的法拉第效率（FE）高達(dá)91.3±2.3%和生成速率為4.96±0.16 mg/h。

密度泛函理論(DFT)計(jì)算揭示了原位生成的CdPS₃/CdS界面在優(yōu)化HMF*和H*中間體吸附中的關(guān)鍵作用，從而促進(jìn)了HMF加氫過程。此外，重構(gòu)的CdPS₃/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)陰極與MnCo₂O_4.5陽極耦合，能夠同時(shí)從HMF和甘油底物中高效合成BHMF和甲酸鹽。

圖文導(dǎo)讀

圖1：電化學(xué)合成BHMF與傳統(tǒng)熱催化法的比較。

圖2：CdPS₃納米片的結(jié)構(gòu)和形態(tài)表征。

圖3：CdPS₃催化劑在HMF加氫反應(yīng)中的電化學(xué)活性。

圖4：原位拉曼和后結(jié)構(gòu)表征理解電催化活性的起源。

圖5：原位生成的CdPS₃/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化HMF加氫化BHMF的反應(yīng)途徑和機(jī)理的理論計(jì)算。

圖6：雙電極體系中HMF加氫和甘油氧化成對電化學(xué)合成BHMF和甲酸鹽。

總結(jié)展望

本研究成功通過空間限制化學(xué)氣相轉(zhuǎn)換策略合成了CdPS₃納米片電催化劑，并發(fā)現(xiàn)其在電解質(zhì)作用下能夠發(fā)生原位表面重構(gòu)，形成CdPS₃/CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)，顯著提高了HMF加氫合成BHMF的效率和選擇性。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果共同揭示了異質(zhì)界面在優(yōu)化反應(yīng)中間體吸附和降低反應(yīng)能壘中的關(guān)鍵作用。

此外，通過將HMF加氫反應(yīng)與甘油氧化反應(yīng)耦合，實(shí)現(xiàn)了在較低電池電壓下同時(shí)合成兩種高附加值化學(xué)品，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化和電化學(xué)合成提供了新的策略。本工作不僅為合理設(shè)計(jì)新型磷硫富集化合物用于能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了基礎(chǔ)理解，也為電催化劑的表面重構(gòu)和活性位點(diǎn)調(diào)控提供了新的視角。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Deciphering in-situ surface reconstruction in two-dimensional CdPS₃ nanosheets for efficient biomass hydrogenation

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49510-8