二機能性Cu–CoFe2O4触媒による統合型グルコース価値化とグリーン水素コジェネレーション

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Electrocatalysis researchers can explore the facet-dependent reactivity and core-shell design principles for other biomass valorization reactions.

🏢実務担当者:Companies in hydrogen production or biomass conversion can consider this catalyst for integrated DGFC systems to reduce energy costs.

電気化学的バイオマス価値化は、再生可能な化学品を生成しながら、従来の水素生成に伴うエネルギー的・環境的コストを同時に低減できる有望な経路として台頭している。バイオマス由来分子の中でも、グルコースは最も豊富な単糖として際立っており、対型電気化学プロセスの魅力的な原料となっている。しかしながら、グルコース酸化反応（GOR）とグルコースの電気化学的水素化（ECH）の両方を担う単一の触媒プラットフォームを設計することは、依然として根本的な課題である。この困難は主に、酸化経路と還元経路に必要なpH、電位窓、および吸着環境が異なることに起因する。本研究では、CNT修飾カーボンクロス上に担持したCu–CoFe 2 O 4 コア–シェルナノ構造を導入する。これは、直接グルコース燃料電池（DGFC）構成で動作可能なように特別に設計された二機能性電極触媒である。この設計により、グルコース価値化反応とその場でのグリーン水素併産の統合が可能となり、持続可能な電気化学変換のための統一的アプローチを提供する。 本触媒は、電荷輸送を強化する導電性Cuコアと、酸化還元活性サイトに富み中間体の吸着を調節するCoFe 2 O 4 スピネルシェルから構成される。この階層的構造は独自の相乗効果を提供する。すなわち、Cuは電子移動度を促進し還元中間体を安定化させ、スピネル層はアクセス可能なCo 2+ /Co 3+ およびFe 2+ /Fe 3+ 酸化還元対を介して酸化的脱水素段階を促進する。CNT修飾カーボンクロスは、高表面積の導電性足場として機能し、触媒の均一な分散と効率的な物質輸送を保証する。得られた電極構造は、優れた機械的安定性、濡れ性、および触媒表面の電気化学的アクセシビリティを示す。 アルカリ性GOR条件下（1 M KOH、10 mMグルコース）では、本触媒は卓越した活性と選択性を示す。RHEに対して1.3 Vで、グルコースの97.5%変換率とギ酸への91.2%のファラデー効率を達成し、従来のNi系およびCo系触媒を著しく上回る。重要なことに、本触媒はアルカリ性系で選択性を制限することが一般的である酸素発生反応を効果的に抑制する。クロノアンペロメトリーは、長時間の運転にわたって安定した電流密度を示し、コア–シェル構造の堅牢性を確認する。ガスクロマトグラフィーは同時に、DGFCの陰極室におけるH 2 生成への100%のファラデー効率を検証し、対型酸化–還元プロセスにおける完全な電子利用を示し、二機能性電気化学プラットフォームとしての可能性を裏付ける。 中性条件（0.1 M Na 2 SO 4 、0.1 Mグルコース）に移行すると、同じ触媒は顕著な機能転換を示す。グルコースを酸化する代わりに、その電気化学的水素化をソルビトールへ選択的に促進し、RHEに対して−0.4 Vで87.5%のファラデー効率を達成する。同じ材料を用いて酸化挙動と還元挙動を切り替えるこの能力は、Cu–CoFe 2 O 4 系の本質的な二機能性を浮き彫りにする。切り替え可能な反応性は、アノードでの同時酸化とカソードでの水素化または水素発生が標的生成物に応じて調整できるDGFC構成において特に重要である。 密度汎関数理論計算は、この二重挙動の起源への洞察を提供する。スピネルリッチな(111)表面は、グルコノラクトンなどの酸素結合中間体を安定化し、GORに特徴的な脱水素段階を促進する一方、Cu濃縮(211)ファセットは水素化中間体に対して最適な結合エネルギーを示し、ECH経路を有利にする。このファセット依存性反応性は、電解質と印加電位を調整するだけで、酸化および還元の両レジームで効率的に動作する触媒の能力を説明する。理論的予測は実験的な生成物分布および電気化学的傾向と強く相関し、CuコアとCoFe 2 O 4 シェル間の協調的機能性を確認する。 全体として、Cu–CoFe 2 O 4 コア–シェル触媒は、同じ触媒界面を用いて、アルカリ条件下でグルコース酸化と水素発生を結合させると同時に、中性条件下でグルコース水素化を可能にする卓越した能力を示す。その高い選択性、安定性、および操作上の柔軟性は、再生可能な原料からグリーン水素と高付加価値化学品の両方を生産することを目的とした統合電気化学システムの有望な候補として確立する。本研究は、二機能性ナノアーキテクチャスピネル–金属ヘテロ構造を、持続可能な電気化学プロセスのための多用途プラットフォームとして位置づけ、同時エネルギー変換とバイオマスアップグレーディングのための次世代デバイスとしてのDGFC構成の可能性を強調する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Electrochemical biomass valorization is emerging as a promising route to produce renewable chemicals while simultaneously reducing the energetic and environmental cost associated with conventional hydrogen generation. Among biomass-derived molecules, glucose stands out as the most abundant monosaccharide, making it an attractive feedstock for paired electrochemical processes. However, designing a single catalytic platform capable of supporting both the glucose oxidation reaction (GOR) and the electrochemical hydrogenation of glucose (ECH) remains a fundamental challenge. This difficulty is mainly associated with the distinct pH, potential windows, and adsorption environments required for oxidative and reductive pathways. In this work, we introduce a Cu–CoFe 2 O 4 core–shell nanoarchitecture supported on CNT-modified carbon cloth, specifically engineered as a bifunctional electrocatalyst capable of operating in a Direct Glucose Fuel Cell (DGFC) configuration. This design enables the integration of glucose valorization reactions with in situ green hydrogen cogeneration, offering a unified approach for sustainable electrochemical conversion. The catalyst consists of a conductive Cu core that enhances charge transport and a CoFe 2 O 4 spinel shell rich in redox-active sites that modulate intermediate adsorption. This hierarchical architecture provides a unique synergy: Cu promotes electron mobility and stabilizes reductive intermediates, while the spinel layer facilitates oxidative dehydrogenation steps via accessible Co 2+ /Co 3+ and Fe 2+ /Fe 3+ redox couples. CNT-modified carbon cloth serves as a high-surface-area conductive scaffold that ensures uniform catalyst dispersion and efficient mass transport. The resulting electrode architecture displays excellent mechanical stability, wettability, and electrochemical accessibility of the catalytic surface. Under alkaline GOR conditions (1 M KOH, 10 mM glucose), the catalyst exhibits exceptional activity and selectivity. At 1.3 V vs RHE, it achieves 97.5% conversion of glucose and a Faradaic efficiency of 91.2% toward formic acid, markedly outperforming conventional Ni- and Co-based catalysts. Importantly, the catalyst effectively suppresses the oxygen evolution reaction, which commonly limits selectivity in alkaline systems. Chronoamperometry further demonstrates stable current densities over extended operation, confirming the robustness of the core–shell architecture. Gas chromatography simultaneously verifies 100% Faradaic efficiency toward H 2 production in the cathodic compartment of the DGFC, indicating full electron utilization in the paired oxidation–reduction process and validating its potential as a dual-function electrochemical platform. When transitioning to neutral conditions (0.1 M Na 2 SO 4 , 0.1 M glucose), the same catalyst exhibits a remarkable functional shift. Instead of oxidizing glucose, it selectively promotes its electrochemical hydrogenation to sorbitol, achieving a Faradaic efficiency of 87.5% at −0.4 V vs RHE. This ability to switch between oxidative and reductive behavior using the same material highlights the intrinsic bifunctionality of the Cu–CoFe 2 O 4 system. Switchable reactivity is especially relevant for DGFC configurations, where simultaneous oxidation at the anode and hydrogenation or hydrogen evolution at the cathode can be tuned depending on the target products. Density functional theory calculations provide insight into the origin of this dual behavior. The spinel-rich (111) surface stabilizes oxygen-bound intermediates such as gluconolactone and facilitates dehydrogenation steps characteristic of GOR, while the Cu-enriched (211) facet exhibits optimal binding energies for hydrogenated intermediates, favoring ECH pathways. This facet-dependent reactivity explains the catalyst’s ability to operate efficiently in both oxidative and reductive regimes simply by adjusting the electrolyte and applied potential. The theoretical predictions correlate strongly with experimental product distributions and electrochemical trends, confirming the cooperative functionality between the Cu core and the CoFe 2 O 4 shell. Overall, the Cu–CoFe 2 O 4 core–shell catalyst demonstrates an exceptional capacity to couple glucose oxidation with hydrogen evolution under alkaline conditions, while simultaneously enabling glucose hydrogenation under neutral conditions, using the same catalytic interface. Its high selectivity, stability, and operational flexibility establish it as a promising candidate for integrated electrochemical systems aimed at producing both green hydrogen and value-added chemicals from renewable feedstocks. This work positions bifunctional nanoarchitecture spinel–metal heterostructures as a versatile platform for sustainable electrochemical processes and highlights the potential of DGFC configurations as next-generation devices for simultaneous energy conversion and biomass upgrading. Figure 1

• semanticscholar https://doi.org/10.1149/ma2026-01552691mtgabsfirst seen 2026-07-21 05:23:46 · last seen 2026-07-29 05:44:09