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，清華大學

王楓梅，北京化工大學見習教授，碩士生導師。主要研究方向為電催化高值化學品聯產綠氫。先后主持國家級和省部級項目5項，參與國家重點研發計劃1項。

孫曉明，北京化工大學教授，2004年清華大學特等獎學金，2007年“全國百篇優秀博士論文”獲得者，2011年獲國家杰出青年科學基金資助，2017年入選科技部創新人才推進計劃，2019年入選“牛頓高級學者基金”資助。

段昊泓，清華大學副教授，博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，國家重點研發計劃首席科學家。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上進行操控，對于高效電化學生物質以高選擇性升級為有價值的化學品至關重要。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現象，該重構由電解質觸發，有效促進了5-羥甲基糠醛（HMF）在常溫下加氫轉化為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，證實了CdPS₃表面形成了表面結合的CdS層，形成了CdPS₃/CdS異質結構。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91.3±2.3%和生成速率為4.96±0.16 mg/h。

密度泛函理論(DFT)計算揭示了原位生成的CdPS₃/CdS界面在優化HMF*和H*中間體吸附中的關鍵作用，從而促進了HMF加氫過程。此外，重構的CdPS₃/CdS異質結構陰極與MnCo₂O_4.5陽極耦合，能夠同時從HMF和甘油底物中高效合成BHMF和甲酸鹽。

圖文導讀

圖1：電化學合成BHMF與傳統熱催化法的比較。

圖2：CdPS₃納米片的結構和形態表征。

圖3：CdPS₃催化劑在HMF加氫反應中的電化學活性。

圖4：原位拉曼和后結構表征理解電催化活性的起源。

圖5：原位生成的CdPS₃/CdS異質結構催化HMF加氫化BHMF的反應途徑和機理的理論計算。

圖6：雙電極體系中HMF加氫和甘油氧化成對電化學合成BHMF和甲酸鹽。

總結展望

本研究成功通過空間限制化學氣相轉換策略合成了CdPS₃納米片電催化劑，并發現其在電解質作用下能夠發生原位表面重構，形成CdPS₃/CdS異質結構，顯著提高了HMF加氫合成BHMF的效率和選擇性。理論計算和實驗結果共同揭示了異質界面在優化反應中間體吸附和降低反應能壘中的關鍵作用。

此外，通過將HMF加氫反應與甘油氧化反應耦合，實現了在較低電池電壓下同時合成兩種高附加值化學品，為生物質轉化和電化學合成提供了新的策略。本工作不僅為合理設計新型磷硫富集化合物用于能源轉換應用提供了基礎理解，也為電催化劑的表面重構和活性位點調控提供了新的視角。

文獻信息

標題：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