【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】氫氣既是能源載體也是工業(yè)氣體，應(yīng)用廣泛。氫氣根據(jù)其制備過程的排放情況，主要分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫，分別表示化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫。中國是氫氣的生產(chǎn)和消耗大國，目前年產(chǎn)量超3000萬噸，其中絕大部分來源于化石燃料燃燒和副產(chǎn)氫，會(huì)帶來額外的二氧化碳排放。在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，眾多行業(yè)面臨碳減排壓力，亟需加快綠氫技術(shù)的發(fā)展。電解水制氫技術(shù)是目前重要的綠氫制備方法，但因陽極析氧反應(yīng)(OER)動(dòng)力學(xué)過程緩慢、過電位高等問題，整體能量轉(zhuǎn)換效率偏低，制氫成本居高不下。這一技術(shù)瓶頸嚴(yán)重制約了綠氫的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，亟需通過開發(fā)新型高效催化劑、優(yōu)化反應(yīng)體系或探索替代性制氫技術(shù)來突破現(xiàn)有局限。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能與儲(chǔ)能材料技術(shù)實(shí)驗(yàn)室氣體催化與分離團(tuán)隊(duì)長期從事電解制氫催化劑的研究。面向電解制氫陽極析氧反應(yīng)能壘高、動(dòng)力學(xué)緩慢以及陽極產(chǎn)物價(jià)值低的難題，采用甘油電氧化反應(yīng)替代析氧反應(yīng)，降低電解制氫的能耗同時(shí)能夠獲得高附加值化學(xué)品。針對甘油氧化反應(yīng)路徑多、產(chǎn)物復(fù)雜且選擇性低的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)基于理性材料設(shè)計(jì)發(fā)展了一種高熵催化劑(PtCuCoNiMn)，該催化劑可實(shí)現(xiàn)在0.2 A cm-2下高選擇性(>70%)制備甘油酸(圖1)。團(tuán)隊(duì)還搭建了一套小型電解槽，通過間歇電解實(shí)現(xiàn)了0.2 A高電流密度下催化劑的穩(wěn)定運(yùn)行(>200 h)。原位譜學(xué)表征發(fā)現(xiàn)Pt為催化位點(diǎn)，其甘油氧化為甘油酸的反應(yīng)路徑為：端羥基的活化與H解離→中間體甘油醛的生成→甘油醛至甘油酸的電氧化轉(zhuǎn)化(圖2)。密度泛函理論(DFT)計(jì)算發(fā)現(xiàn)甘油醛脫水反應(yīng)(-*H和-*OH)的難易程度是決定乳酸是否產(chǎn)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(圖3)。Cu的引入在熱力學(xué)上抑制了副產(chǎn)物乳酸的生成，在動(dòng)力學(xué)上促進(jìn)了目標(biāo)產(chǎn)物甘油酸的生成，而Co、Ni、Mn可調(diào)節(jié)催化表面氧化態(tài)以保護(hù)Pt活性位點(diǎn)。本研究表明，通過構(gòu)建高熵表面來定制催化劑/電解質(zhì)界面的催化位點(diǎn)，是電化學(xué)催化的一種有效策略。
研究成果以“Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electrooxidation to glycerate at high current density”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology, 2025, doi:10.1038/s41565-025-01881-9。該論文的第一作者為寧波材料所博士生汪水波，通訊作者為寧波材料所林貽超研究員、田子奇研究員、尹宏峰研究員、陳亮研究員。本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2023YFB4005900)、科技創(chuàng)新2030項(xiàng)目(2024ZD0607700)、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(52271232)、寧波市2025重大項(xiàng)目(2022Z205)、寧波市青年科技創(chuàng)新與領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(2023QL026)、浙江省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(LD21E020001)等的支持。
圖1 甘油電氧化性能與反應(yīng)路徑
圖2 催化機(jī)理研究
圖3 DFT計(jì)算
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