1研究内容

    目前，发电严重依赖化石燃料的消耗，这导致了严重的环境问题，如温室效应、空气污染等。为了实现高效和清洁的电力生产，已经设计和组装了各种电池，如金属离子电池、金属空气电池、燃料电池等。但是，发电和化学生产对于现代文明的可持续发展都至关重要。
    基于此，华东师范大学陈立松教授、中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林院士和王敏博士建立了一种新型的双功能锌有机电池，用于同时提高一系列生物质醛的电输出和半氢化，用于高附加值的化学合成。典型的锌（Zn）-糠醛（FF）电池配备了Cu箔支撑的边缘富集Cu纳米片作为电催化剂（Cu NS/Cu箔），提供了分别为15 mA cm-2和2.00 mW cm-2的最大电流密度和功率密度，同时产生了高价值产品糠醛醇（FAL）。Cu-NS/Cu箔催化剂在以H2O为氢源的FF半加氢中表现出约93.5%的转化率和约93.1%的选择性的优异电催化性能，并且在各种生物质醛半加氢方面表现出令人印象深刻的性能。相关工作以“Zn-Organic Batteries for the Semi-Hydrogenation of Biomass Aldehyderivatives and Concurrently Enhanced Power Output”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

 2研究要点

    要点1. 作者通过简单的原位化学/电化学重建方法开发了一种高效的富边Cu-NS/Cu箔催化剂，该催化剂对生物质醛化物半加氢表现出令人印象深刻的催化性能。FF到FAL的最大转化率（Conv.）、选择性（Sel.）和FAL法拉第效率（FE）分别高达95.4%、95.4%和97.5%。
    要点2. 基于Cu-NS/Cu箔催化剂建立了一种新的锌氧化偶联阴极醛（糠醛，FF）半加氢电化学系统，称为锌FF电池，用于同时促进生物质醛加氢的发电和增值化学品生产。Zn-FF电池在24小时运行期间实现1.26 V的高OCP而没有显著退化。
    要点3. 在环境条件和低浓度碱性/近中性双电解质（0.5 M KOH/0.5 M KHCO3）下，Zn-FF电池可生产高价值化学品FAL，同时最大输出电流密度和功率密度分别可达14.6 mA cm-2和2.00 mW cm-2。通过使用一系列有机基底，使用Cu NS/Cu箔作为催化剂，证明了锌基生物质衍生物加氢电池的适用性。
    该工作不仅揭示了低配位Cu位点通过激活生物质衍生物中的醛基而在增值化学生产中发挥的重要作用，而且通过与一系列有机化学转化反应耦合以增强发电，显著拓宽了金属基功能电池的范围。

 3研究图文

    图1.（a）铜箔合成Cu NS/Cu箔催化剂的方案。（b）Cu箔、CuO NS/Cu箔和Cu-NS/Cu箔的LMM光谱。Cu NS/Cu箔的（c）SEM和（d）TEM。催化剂合成过程中表征CuO电化学还原为Cu的原位（e）XRD和（f）拉曼光谱。    图2.（a）在0.5 mM KHCO3溶液中，在20 mV s-1的扫描速率下，添加和不添加20 mM FF时，Cu NS/Cu箔的LSV。（b）在Cu-NS/Cu箔上FAL的电势依赖性的Conv.和Sel.。（c）Cu NS/Cu箔上FAL和H2的电势依赖性FEs。（d）FF的生产率和阴极反应的曲线。（e）在-1.1 V vs. Ag/AgCl下，FF到FAL转化过程的碳平衡。（f）FF和Sel的Cyclic Conv.和FAL的FE。    图3.（a）电化学阻抗谱拟合的等效电路模型和Cu-NS/Cu箔上HER机制示意图。（b）在含20 mM FF的0.5 M KHCO3溶液中，Cu NS/Cu箔在不同电位下（b）相应的Nyquist图和（c）Bode相图。（d）Cu-NS/Cu箔FF电半氢化过程中，2700-3700 cm-1和1150-1850 cm-1范围内的红外信号。（e）氢（*）和碳（#）自由基的EPR捕获。添加和不添加t-BuOH时，（f）FF转化和（g）FAL生成的比较。（h）Cu NS/Cu箔催化FF半加氢的反应途径。    图4.（a）组装好的锌-FF电池示意图。（b）配备Cu NS/Cu箔催化剂的Zn-FF电池的开路电压。（c）Cu-NS/Cu箔作为催化剂的Zn-FF电池的放电极化曲线和所得功率密度。（d）不同电流密度下的放电试验。（e）Zn-FF电池为电子计时器供电100分钟的数字照片。（f）在5 mA cm-2和电解液中相应的FAL浓度下进行FF半氢化实验。（g）Zn-FF电池在5 mA cm-2电流密度下的充放电曲线。

 4文献详情

Zn-Organic Batteries for the Semi-Hydrogenation of Biomass Aldehyderivatives and Concurrently Enhanced Power Output
Heng Xu, Guanxing Xu, Bingji Huang, Jiabiao Yan, Min Wang*, Lisong Chen*, Jianlin Shi*Angew. Chem. Int. Ed.DOI: 10.1002/anie.202218603