本研究提出了一種高效的太陽(yáng)能制氫新方法，通過(guò)將水電解與生物質(zhì)來(lái)源葡萄糖的選擇性氧化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。該技術(shù)的核心是一種銅摻雜的鈷氧羥化物催化劑，它能夠引導(dǎo)葡萄糖沿著精細(xì)調(diào)控的α–C–C鍵斷裂級(jí)聯(lián)反應(yīng)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在顯著降低陽(yáng)極電位近400mV的同時(shí)，將甲酸鹽的生成率提升至最高80%。這一設(shè)計(jì)使得在無(wú)需隔膜的簡(jiǎn)單反應(yīng)器中即可實(shí)現(xiàn)制氫，氫氣生成速率超過(guò)500μmol·h-1·cm-2。通過(guò)在制氫過(guò)程中將來(lái)源于非糧食生物質(zhì)纖維素的低成本糖類(lèi)轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，該方法不僅提高了能效，也顯著改善了經(jīng)濟(jì)可行性，為太陽(yáng)能燃料提供了一種更可持續(xù)的發(fā)展模式。

　　隨著全球加速邁向碳中和能源體系，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水電解已成為清潔氫氣生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。然而，由于氧析出反應(yīng)能耗高，整體運(yùn)行成本依然居高不下，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)來(lái)源的糖類(lèi)為此提供了一條極具吸引力的替代反應(yīng)路徑，它們更易被氧化，并可同時(shí)生成高價(jià)值化學(xué)產(chǎn)品。但如何避免葡萄糖過(guò)度氧化，并將其定向轉(zhuǎn)化為單一高價(jià)值產(chǎn)物（如甲酸鹽），一直是該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性難題。因此，開(kāi)發(fā)能夠通過(guò)精心設(shè)計(jì)的反應(yīng)路徑，引導(dǎo)葡萄糖進(jìn)行選擇性、節(jié)能氧化的催化劑，已成為迫切需求。

　　2025年5月26日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)與南洋理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在期刊《eScience》上發(fā)表研究成果（DOI:10.1016/j.esci.2025.100431），報(bào)道了一種銅改性的鈷氧羥化物催化劑，可在高制氫速率下將葡萄糖高選擇性轉(zhuǎn)化為甲酸鹽。該無(wú)隔膜共電解系統(tǒng)由InGaP/GaAs/Ge三結(jié)光伏器件驅(qū)動(dòng)，氫氣生成速率超過(guò)500μmol·h-1·cm-2。研究提出了一種由催化劑引導(dǎo)的級(jí)聯(lián)氧化機(jī)制，大幅降低了能量輸入，為將太陽(yáng)能制氫與可持續(xù)生物質(zhì)升級(jí)相結(jié)合開(kāi)辟了新路徑。

　　研究人員首先比較了多種地殼豐度較高的金屬氧羥化物，確定CoOOH是葡萄糖氧化的理想起點(diǎn)。隨后，他們系統(tǒng)性地引入不同摻雜元素，發(fā)現(xiàn)僅添加5mol%的銅即可顯著提升CoOOH的選擇性與電催化效率。經(jīng)銅摻雜后，甲酸鹽的生成率由50%提高至80%，葡萄糖氧化的起始電位降低約400mV，使得在堿性條件下實(shí)現(xiàn)高度節(jié)能的共電解成為可能。

　　通過(guò)X射線光電子能譜、拉曼光譜、電子顯微鏡以及原位阻抗分析等多種先進(jìn)表征手段，研究團(tuán)隊(duì)揭示了銅元素如何重塑催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)。銅能夠穩(wěn)定具有反應(yīng)活性的Co3+位點(diǎn)，同時(shí)抑制通常會(huì)導(dǎo)致非選擇性斷鍵的高活性Co4+物種。密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步表明，銅摻雜抑制了葡萄糖的側(cè)向吸附和產(chǎn)生副產(chǎn)物的β斷裂路徑，轉(zhuǎn)而促進(jìn)醛基端向吸附，使反應(yīng)沿著逐步α–C–C鍵斷裂路徑進(jìn)行，從而使每一個(gè)碳原子都以甲酸鹽形式釋放。

　　當(dāng)該陽(yáng)極體系與地殼豐度較高的Ni4Mo陰極耦合時(shí)，在無(wú)隔膜電池中可實(shí)現(xiàn)近100%法拉第效率的純氫生成。在聚光太陽(yáng)照射下，裝置的制氫速率達(dá)到519.5±0.4μmol·h-1·cm-2，并在連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行中保持穩(wěn)定性能。

　　一位研究負(fù)責(zé)人指出，該成果展示了催化劑設(shè)計(jì)如何同時(shí)重塑太陽(yáng)能制氫的效率與經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)將葡萄糖氧化精準(zhǔn)引導(dǎo)至高選擇性的α斷裂路徑，催化劑不僅降低了電能消耗，還同步將生物質(zhì)升級(jí)為高價(jià)值化工原料。這種兼具制氫與化學(xué)品生產(chǎn)功能的體系，標(biāo)志著可再生氫技術(shù)向更集成化、更具成本競(jìng)爭(zhēng)力方向邁出的關(guān)鍵一步，證明了可持續(xù)化學(xué)與清潔能源生產(chǎn)能夠相互促進(jìn)、協(xié)同發(fā)展。

　　總體而言，這一共電解策略通過(guò)高能效運(yùn)行與甲酸鹽副產(chǎn)品銷(xiāo)售相結(jié)合，為綠色制氫提供了一條具備規(guī)模化潛力且具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的路徑。經(jīng)濟(jì)模型顯示，該方法可將平準(zhǔn)化氫氣成本降低至1.54美元/千克，與甚至低于化石燃料制氫成本。無(wú)隔膜設(shè)計(jì)還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了資本投入，使工業(yè)化應(yīng)用更具可行性。更重要的是，該催化劑在農(nóng)業(yè)廢棄物水解液中同樣表現(xiàn)出優(yōu)異性能，表明其與真實(shí)生物質(zhì)資源高度兼容，有望在未來(lái)循環(huán)生物經(jīng)濟(jì)體系中支持分布式氫氣生產(chǎn)。

特別聲明：國(guó)家電投官方網(wǎng)站轉(zhuǎn)載其他網(wǎng)站內(nèi)容，出于傳遞更多信息而非盈利之目的，同時(shí)并不代表贊成其觀點(diǎn)或證實(shí)其描述，內(nèi)容僅供參考。版權(quán)歸原作者所有，若有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。