第一作者：Marshet Getaye Sendeku，Karim Harrath

通讯作者：王枫梅，孙晓明，段昊泓

通讯单位：北京化工大学，清华大学

王枫梅，北京化工大学见习教授，硕士生导师。主要研究方向为电催化高值化学品联产绿氢。先后主持国家级和省部级项目5项，参与国家重点研发计划1项。

孙晓明，北京化工大学教授，2004年清华大学特等奖学金，2007年“全国百篇优秀博士论文”获得者，2011年获国家杰出青年科学基金资助，2017年入选科技部创新人才推进计划，2019年入选“牛顿高级学者基金”资助。

段昊泓，清华大学副教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。研究兴趣包括纳米催化和电催化。

论文速览

在电极材料的固有活性位点上进行操控，对于高效电化学生物质以高选择性升级为有价值的化学品至关重要。本论文研究了一种二维（2D）层状CdPS3纳米片电催化剂的原位表面重构现象，该重构由电解质触发，有效促进了5-羟甲基糠醛（HMF）在常温下加氢转化为2, 5-双(羟甲基)呋喃（BHMF）。

通过原位拉曼光谱和详尽的催化剂表征，证实了CdPS3表面形成了表面结合的CdS层，形成了CdPS3/CdS异质结构。在-0.7 V下，该电催化剂催化HMF生成BHMF的法拉第效率（FE）高达91.3±2.3%和生成速率为4.96±0.16 mg/h。

密度泛函理论(DFT)计算揭示了原位生成的CdPS3/CdS界面在优化HMF*和H*中间体吸附中的关键作用，从而促进了HMF加氢过程。此外，重构的CdPS3/CdS异质结构阴极与MnCo2O4.5阳极耦合，能够同时从HMF和甘油底物中高效合成BHMF和甲酸盐。

图文导读

图1：电化学合成BHMF与传统热催化法的比较。

图2：CdPS3纳米片的结构和形态表征。

图3：CdPS3催化剂在HMF加氢反应中的电化学活性。

图4：原位拉曼和后结构表征理解电催化活性的起源。

图5：原位生成的CdPS3/CdS异质结构催化HMF加氢化BHMF的反应途径和机理的理论计算。

图6：双电极体系中HMF加氢和甘油氧化成对电化学合成BHMF和甲酸盐。

总结展望

本研究成功通过空间限制化学气相转换策略合成了CdPS3纳米片电催化剂，并发现其在电解质作用下能够发生原位表面重构，形成CdPS3/CdS异质结构，显著提高了HMF加氢合成BHMF的效率和选择性。理论计算和实验结果共同揭示了异质界面在优化反应中间体吸附和降低反应能垒中的关键作用。

此外，通过将HMF加氢反应与甘油氧化反应耦合，实现了在较低电池电压下同时合成两种高附加值化学品，为生物质转化和电化学合成提供了新的策略。本工作不仅为合理设计新型磷硫富集化合物用于能源转换应用提供了基础理解，也为电催化剂的表面重构和活性位点调控提供了新的视角。

文献信息

标题：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