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中科院寧波材料所電解制氫耦合高值化學(xué)品制備研究獲進(jìn)展
2025年03月27日 08:42:40
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：7070
相關(guān)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(shù)》(Nature Nanotechnology)
電解水制氫作為綠氫生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，因陽極析氧反應(yīng)(OER)動力學(xué)緩慢、能耗高等問題，長期制約其大規(guī)模應(yīng)用。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研團(tuán)隊(duì)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(chǎn)高附加值化學(xué)品甘油酸，相關(guān)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(shù)》(Nature Nanotechnology)。
傳統(tǒng)電解水制氫技術(shù)中，陽極OER需轉(zhuǎn)移4個電子，反應(yīng)能壘高且副產(chǎn)物氧氣經(jīng)濟(jì)價值低，導(dǎo)致整體效率受限。為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出“替代性陽極反應(yīng)”策略，將生物質(zhì)衍生物甘油作為反應(yīng)物，通過其電氧化生成高值化學(xué)品(如甘油酸、乳酸等)。然而，甘油氧化路徑復(fù)雜，產(chǎn)物選擇性低，且需在高電流密度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定催化，這對催化劑設(shè)計提出了極高要求。
研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高熵合金催化劑(PtCuCoNiMn)，通過多金屬協(xié)同效應(yīng)優(yōu)化催化表面活性位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了甘油選擇性氧化路徑的精準(zhǔn)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)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(dá)90%以上，大幅優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑。
2. 協(xié)同催化機(jī)制：Pt作為主要活性位點(diǎn)主導(dǎo)甘油氧化，Cu通過抑制副產(chǎn)物乳酸生成提升選擇性，而Co、Ni、Mn則通過調(diào)節(jié)表面氧化態(tài)保護(hù)Pt活性位點(diǎn)，延長催化劑壽命。
3. 原位表征與理論計算驗(yàn)證：結(jié)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(jī)制，并證明Cu的引入通過熱力學(xué)和動力學(xué)雙重作用抑制副反應(yīng)。
團(tuán)隊(duì)搭建的小型電解槽在間歇運(yùn)行模式下，成功實(shí)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(chǎn)。通過優(yōu)化催化劑/電解質(zhì)界面，電極在長時間運(yùn)行中未出現(xiàn)顯著活性衰減，為規(guī)?；瘧?yīng)用提供了技術(shù)驗(yàn)證。
寧波材料所此項(xiàng)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(xué)品”聯(lián)產(chǎn)的新模式，為可再生能源驅(qū)動的化工生產(chǎn)提供了創(chuàng)新范式。未來，結(jié)合團(tuán)隊(duì)在海水電解制氫陰極與陽極穩(wěn)定性等領(lǐng)域的技術(shù)積累，有望實(shí)現(xiàn)多場景、全鏈條的綠氫產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金以及浙江省和寧波市相關(guān)項(xiàng)目等的支持。
參考來源： 寧波材料技術(shù)與工程研究所
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