近日，國際知名學術期刊Chem以“Reactant-induced activation over amorphousmetal-metalloid electrocatalysts for HMF electrooxidation”為題，在線報道了華東理工大學材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在生物質氧化耦合低能耗電解水制氫領域的最新研究成果。

利用可再生電力驅動的電解水制氫受到世界各國的廣泛關注，也是助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)的理想途徑之一。傳統(tǒng)堿性電解槽制氫技術已實現(xiàn)工業(yè)化，其規(guī)?；圃斐杀疽驳玫酱蠓档?，但每立方米氫氣（H ₂ ）的生產能耗仍然較高（4.5~4.8千瓦時）。目前，由于陽極析氧反應固有的熱力學電位限制，會導致90%以上的電力消耗用于產氧，同時高濃度的氧氣對電解槽系統(tǒng)也有一定的安全風險。

電解水產氫與替代陽極產氧反應的生物質氧化反應進行耦合，可以構建低能耗的制氫系統(tǒng)，同時生產高附加值的化學品。在陽極氧化反應的替代小分子中，5-羥甲基糠醛（HMF）被認為是關鍵的生物質衍生平臺化學品之一，其氧化產物2,5-呋喃二羧酸（FDCA）有望成為生物基塑料（PEF）合成中重要的可持續(xù)單體，替代石油基塑料合成中的對苯二甲酸。將HMF電氧化反應和產氫反應耦合，構建低能耗的耦合制氫系統(tǒng)（HMFOR//HER），不僅能有效提高制氫效率、降低制氫能耗，而且對于HMF產物升級也具有較高的經濟價值和現(xiàn)實意義。

在HMF電氧化過程中，通常采用高電位誘導生成高價態(tài)活性金屬位點，從而催化HMF氧化，這意味著需要消耗大量的電能來驅動活性物質再生；同時，在高電流密度下，水相體系中反應物HMF與催化劑相互作用關系復雜，HMFOR與OER相互競爭，導致目標產物FDCA的效率較低。針對上述問題，研究團隊開發(fā)了一種新型非晶態(tài)類金屬NiCoB _x 材料用于HMF電氧化，與傳統(tǒng)非貴金屬催化劑相比，NiCoB _x 具有在相對較低的電位下選擇性氧化HMF的性能。此外，在HMFOR過程中，當NiCoB _x 結構演化形成活性相時，含有醛基官能團的反應物HMF會優(yōu)先吸附在催化劑材料表面，加速金屬位點的電子轉移及脫氫過程，從而促進HMFOR活性相（Ni/B摻雜CoOOH）的原位生成。這種獨特的“反應物誘導活化催化劑”機理在提高HMFOR催化活性的同時，可以有效避免OER副反應發(fā)生，只需要1.33V（相對于可逆氫電極）的低電位就能產生200mA cm ^-2 的高電流密度，并在多個測試循環(huán)中保持較高的FDCA產率（93.0%-99.7%）、法拉第效率（92%-95%）和選擇性（100%）。

為評估NiCoB _x 催化劑在實際工業(yè)制氫環(huán)境下的催化性能，研究團隊構建了以NiCoB _x 為陽極的HMFOR//HER耦合制氫系統(tǒng)。該電解系統(tǒng)能夠同時生產FDCA和H ₂ ，僅需1.62V的全電池電壓便能實現(xiàn)400mA cm ^-2 的工業(yè)級電流密度制氫，并且能連續(xù)運行超過100小時（FDCA產率＞90%）。通過使用該耦合電解水制氫系統(tǒng)替代傳統(tǒng)堿性電解槽，生產每立方米H ₂ 可以節(jié)省大約1.03千瓦時的電力輸入。這項工作對調控水相體系反應物與催化劑材料之間的相互作用關系、構建高性能低成本陽極催化材料提供了指導，同時推動了低能耗耦合電解水制氫系統(tǒng)的發(fā)展。

該工作主要由材料科學與工程學院博士生徐皓觀、碩士生寧欣然在劉鵬飛副教授、袁海洋副教授、楊化桂教授等人的指導下完成。研究工作得到國家自然科學基金、上海市“碳達峰碳中和專項”和上海市基礎研究特區(qū)等資金項目的資助。

論文鏈接：https://www.cell.com/chem/abstract/S2451-9294(24)00114-1

來源：華東理工大學