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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：3700
相關成果Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electro-oxidation to glycerate at high current density于近日發表于《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新性地提出以甘油電氧化替代傳統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于近日發表于《自然-納米技術》(Nature Nanotechnology)。
傳統電解水制氫技術中，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穩定催化，這對催化劑設計提出了極高要求。
研究團隊開發了一種高熵合金催化劑(PtCuCoNiMn)，通過多金屬協同效應優化催化表面活性位點，實現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的工業級電流密度下，甘油酸選擇性達90%以上，大幅優于傳統催化劑。
2. 協同催化機制：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則通過調節表面氧化態保護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，成功實現了0.2 A高電流密度下的穩定制氫與甘油酸聯產。通過優化催化劑/電解質界面，電極在長時間運行中未出現顯著活性衰減，為規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，更開創了“綠氫+高值化學品”聯產的新模式，為可再生能源驅動的化工生產提供了創新范式。未來，結合團隊在海水電解制氫陰極與陽極穩定性等領域的技術積累，有望實現多場景、全鏈條的綠氫產業化應用。
研究工作得到國家重點研發計劃、科技創新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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