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中科院寧波材料所電解制氫耦合高值化學品制備研究獲進展
2025年03月27日 08:42:40
來源：化工儀器網 點擊量：7647
相關成果Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electro-oxidation to glycerate at high current density于近日發(fā)表于《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)
電解水制氫作為綠氫生產的關鍵技術，因陽極析氧反應(OER)動力學緩慢、能耗高等問題，長期制約其大規(guī)模應用。中國科學院寧波材料技術與工程研究所科研團隊創(chuàng)新性地提出以甘油電氧化替代傳統(tǒng)OER，不僅顯著降低制氫能耗，還同步生產高附加值化學品甘油酸，相關成果Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electro-oxidation to glycerate at high current density于近日發(fā)表于《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)。
傳統(tǒng)電解水制氫技術中，陽極OER需轉移4個電子，反應能壘高且副產物氧氣經濟價值低，導致整體效率受限。為解決這一問題，研究團隊提出“替代性陽極反應”策略，將生物質衍生物甘油作為反應物，通過其電氧化生成高值化學品(如甘油酸、乳酸等)。然而，甘油氧化路徑復雜，產物選擇性低，且需在高電流密度下實現(xiàn)穩(wěn)定催化，這對催化劑設計提出了極高要求。
研究團隊開發(fā)了一種高熵合金催化劑(PtCuCoNiMn)，通過多金屬協(xié)同效應優(yōu)化催化表面活性位點，實現(xiàn)了甘油選擇性氧化路徑的精準調控。實驗表明：
1. 高選擇性與高電流密度兼容：在0.2 A cm?²的工業(yè)級電流密度下，甘油酸選擇性達90%以上，大幅優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑。
2. 協(xié)同催化機制：Pt作為主要活性位點主導甘油氧化，Cu通過抑制副產物乳酸生成提升選擇性，而Co、Ni、Mn則通過調節(jié)表面氧化態(tài)保護Pt活性位點，延長催化劑壽命。
3. 原位表征與理論計算驗證：結合原位光譜與密度泛函理論(DFT)計算，揭示了甘油氧化路徑為“端羥基活化→甘油醛中間體生成→甘油酸電氧化”的分步機制，并證明Cu的引入通過熱力學和動力學雙重作用抑制副反應。
團隊搭建的小型電解槽在間歇運行模式下，成功實現(xiàn)了0.2 A高電流密度下的穩(wěn)定制氫與甘油酸聯(lián)產。通過優(yōu)化催化劑/電解質界面，電極在長時間運行中未出現(xiàn)顯著活性衰減，為規(guī)模化應用提供了技術驗證。
寧波材料所此項研究不僅突破了電解制氫的能效瓶頸，更開創(chuàng)了“綠氫+高值化學品”聯(lián)產的新模式，為可再生能源驅動的化工生產提供了創(chuàng)新范式。未來，結合團隊在海水電解制氫陰極與陽極穩(wěn)定性等領域的技術積累，有望實現(xiàn)多場景、全鏈條的綠氫產業(yè)化應用。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家自然科學基金以及浙江省和寧波市相關項目等的支持。
參考來源： 寧波材料技術與工程研究所
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