將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有價值化學品是減少對化石燃料資源依賴的一項有前途的戰(zhàn)略。葡萄糖是最豐富的生物質(zhì)基化合物之一，可以轉(zhuǎn)化為各種商品化學品，如5-羥甲基糠醛、山梨糖醇、葡萄糖酸（GNA）和葡萄糖二酸（GRA）。GRA被認為是由生物質(zhì)生產(chǎn)的“高附加值化合物”，其衍生物也可用于醫(yī)療保健。2016年全球GRA市場規(guī)模約為5.504億美元，預計到2025年將達到13億美元。GRA目前通過化學氧化或微生物發(fā)酵生產(chǎn)，而前者是GRA生產(chǎn)的主要工業(yè)過程。然而，葡萄糖到GRA的常規(guī)催化氧化具有需要大量有毒氧化劑、選擇性低、產(chǎn)生副產(chǎn)物和需要高壓O2等缺點。

相反，電化學氧化可以在溫和的條件下操作，反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移可以避免高壓O2或危險氧化劑的使用，并且通過調(diào)節(jié)電極電位可以容易地抑制其他副產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高GRA選擇性。在葡萄糖電解過程中，陰極發(fā)生析氫反應(yīng)（HER）產(chǎn)生氫氣，陽極發(fā)生葡萄糖氧化生成GRA。常規(guī)的貴金屬（例如，Pt、Ru、Rh和Pd）催化劑由于稀缺性和高成本促使研究人員尋求豐富和廉價的替代催化劑，以低成本的方式生產(chǎn)高產(chǎn)率的GRA一直是一個挑戰(zhàn)。

策略及物相表征

本研究使用NiFe-LDH納米片陣列作為前體材料合成NiFe氧化物（NiFeOx）和NiFe氮化物（NiFeNx），使用開放纖維結(jié)構(gòu)的鎳泡沫（NF）來賦予電極的3D結(jié)構(gòu)并為NiFe(OH)x提供Ni源，前軀體在空氣和NH3中加熱分別生成NiFeOx和NiFeNx。XRD結(jié)果（圖1b）表明NiFeOx的主相為NiFe2O4，NiFeNx的主要產(chǎn)物為Ni3FeN。XPS結(jié)果（圖1c，d）表明NiFeOx中的Fe處于其三價氧化態(tài)（Fe3+），NiFeNx存在Fe-O和Fe-N物質(zhì)，Ni的化學狀態(tài)在空氣中的熱處理期間未改變。與NiFe(OH)x前軀體相比，NiFeOx的Fe2+均轉(zhuǎn)化為Fe3+，而NiFeNx中Ni和Fe的氧化態(tài)均降低到較低價態(tài)。

Fig.1.Synthesis and structure characterization of the catalysts.

Fig.2.Morphology and elemental compositions of the electrocatalysts.

SEM測試表明合成的氫氧化物由覆蓋整個基底的NF上垂直排列的納米片組成，在空氣中煅燒后，所得NiFeOx保留氫氧化物前體的納米片形態(tài)（圖2a、b）。然而，在NH3中熱處理之后，所產(chǎn)生的NiFeNx材料不保持氫氧化物前體的形態(tài)，而是由具有微孔和中孔的不規(guī)則形狀的互連顆粒組成（圖2d，e），O元素的存在可能是由于NiFe（OH）x的不完全氮化。