玉米秸稈生物質(zhì)光催化效率低、成分復(fù)雜一直是制約2,5-呋喃二甲酸光催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展的瓶頸。大多數(shù)光催化劑在秸稈氧化過程中的轉(zhuǎn)化效率低，選擇性低，無法保證其轉(zhuǎn)化率。因此，本研究利用玉米秸稈衍生的石墨烯結(jié)構(gòu)制備了CdS/TiO
2和玉米秸稈基石墨烯的高效復(fù)合光催化劑。將該材料應(yīng)用于玉米秸稈微晶纖維素催化氧化5-羥甲基糠醛(HMF)和一步光催化轉(zhuǎn)化為2,5-呋喃二羧酸(FDCA)，同時協(xié)同產(chǎn)氫。光催化反應(yīng)的實驗結(jié)果揭示了可能的反應(yīng)途徑，理論計算進一步證實了羥基氧化是反應(yīng)過程中的一個速率決定步驟。在最佳組分配比下，HMF的轉(zhuǎn)化率達到100%，F(xiàn)DCA產(chǎn)率為99.4%。法拉第制氫效率為96%，具有良好的協(xié)同光催化性能。本研究為生物質(zhì)廢棄物轉(zhuǎn)化為FDCA提供了新的思路。
圖1. （a）TC-GS復(fù)合光催化材料制備過程示意圖；（b）光電催化協(xié)同反應(yīng)流程圖。
圖2. 樣品的 SEM 圖像（(a) SCN，(b) 未處理的玉米秸稈。
圖3. SEM 圖像（(a) TiO
2、(b) CdS、(c) TC、(d) GS）；TEM 圖像（(e) GS、(f) TC3-GS）；HRTEM（(g) GS、(h) TC3-GS。
圖4. . (a) TC3-GS EDS 光譜，(b) 樣品的 N
2 吸附-解吸等溫線。
圖5. （a）樣品的XRD圖譜，（b）秸稈預(yù)處理前后微晶纖維素的XRD圖譜，（c）TiO
2、CdS、TC3-GS的FT-IR光譜。
圖6. 樣品的 XPS 光譜。
圖7. .不同樣品在HMF電氧化過程中HMF轉(zhuǎn)化率及電氧化產(chǎn)物收率的變化（a,TC;b,TC1-GS;c,TC3-GS;d,TC5-GS;e,TC7-GS;f,TiO
2;g,CdS）；不同樣品的HMF轉(zhuǎn)化率及FDCA收率（h）。
圖8. TC3-GS的HMF轉(zhuǎn)化率和FDCA產(chǎn)率的循環(huán)實驗（a）；H
2法拉第效率（b）。
圖9. (a) UV-VIS DRS 光譜；(b) Tauc 圖；(c) TC、CdS、TC3-GS MottSchottky 圖；(d) TiO
2 Mott-Schottky 圖；(e) 帶隙結(jié)構(gòu)，(f) PL 光譜，(g) 瞬態(tài)光電流，(h) EIS 光譜。
圖10. (a)TiO
2、(b) TC3-GS 的瞬態(tài)吸收光譜；(c) TC3-GS、SCN、GS、HMF 的 LSV 曲線。
圖11. (a) TiO
2、(b) CdS、(c) TC 和 (d) TC3-GS 的能量結(jié)構(gòu)。
圖12. (a)HMF轉(zhuǎn)化為FDCA的反應(yīng)路徑圖；(b)TC3-GS吉布斯自由能。
相關(guān)研究成果由東北電力大學(xué) Yunlong Zhou等人于2024年發(fā)表在Journal of Cleaner Production (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141302)上。原文：Photo-electrocatalytic synthesis of 2,5-furan dicarboxylic acid and hydrogen co-production from straw-based microcrystalline cellulose by a CdS/TiO
2-graphene composite catalyst
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
