东北电力大学–​CdS/TiO2-石墨烯复合催化剂光电催化合成秸秆基微晶纤维素2,5-呋喃二羧酸并联产氢气

玉米秸秆生物质光催化效率低、成分复杂一直是制约2,5-呋喃二甲酸光催化生物质转化技术发展的瓶颈。大多数光催化剂在秸秆氧化过程中的转化效率低，选择性低，无法保证其转化率。因此，本研究利用玉米秸秆衍生的石墨烯结构制备了CdS/TiO₂和玉米秸秆基石墨烯的高效复合光催化剂。将该材料应用于玉米秸秆微晶纤维素催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF)和一步光催化转化为2,5-呋喃二羧酸(FDCA)，同时协同产氢。光催化反应的实验结果揭示了可能的反应途径，理论计算进一步证实了羟基氧化是反应过程中的一个速率决定步骤。在最佳组分配比下，HMF的转化率达到100%，FDCA产率为99.4%。法拉第制氢效率为96%，具有良好的协同光催化性能。本研究为生物质废弃物转化为FDCA提供了新的思路。

图1. （a）TC-GS复合光催化材料制备过程示意图；（b）光电催化协同反应流程图。

图2. 样品的 SEM 图像（(a) SCN，(b) 未处理的玉米秸秆。

图3. SEM 图像（(a) TiO₂、(b) CdS、(c) TC、(d) GS）；TEM 图像（(e) GS、(f) TC3-GS）；HRTEM（(g) GS、(h) TC3-GS。

图4. . (a) TC3-GS EDS 光谱，(b) 样品的 N₂ 吸附-解吸等温线。

图5. （a）样品的XRD图谱，（b）秸秆预处理前后微晶纤维素的XRD图谱，（c）TiO₂、CdS、TC3-GS的FT-IR光谱。

图6. 样品的 XPS 光谱。

图7. .不同样品在HMF电氧化过程中HMF转化率及电氧化产物收率的变化（a,TC;b,TC1-GS;c,TC3-GS;d,TC5-GS;e,TC7-GS;f,TiO₂;g,CdS）；不同样品的HMF转化率及FDCA收率（h）。

图8. TC3-GS的HMF转化率和FDCA产率的循环实验（a）；H₂法拉第效率（b）。

图9. (a) UV-VIS DRS 光谱；(b) Tauc 图；(c) TC、CdS、TC3-GS MottSchottky 图；(d) TiO₂ Mott-Schottky 图；(e) 带隙结构，(f) PL 光谱，(g) 瞬态光电流，(h) EIS 光谱。

图10. (a)TiO₂、(b) TC3-GS 的瞬态吸收光谱；(c) TC3-GS、SCN、GS、HMF 的 LSV 曲线。

图11. (a) TiO₂、(b) CdS、(c) TC 和 (d) TC3-GS 的能量结构。

图12. (a)HMF转化为FDCA的反应路径图；(b)TC3-GS吉布斯自由能。

相关研究成果由东北电力大学 Yunlong Zhou等人于2024年发表在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/TiO₂-graphene composite catalyst