近日，国际知名学术期刊Chem以“反应物诱导活化非晶态金属-类金属电催化剂用于HMF电氧化”为题，在线报道了华东理工大学材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在生物质氧化耦合低能耗电解水制氢领域的最新研究成果。
利用可再生电力驱动的电解水制氢受到世界各国的广泛关注，也是助力我国“双碳”目标实现的理想途径之一。传统碱性电解槽制氢技术已实现工业化，其规模化制造成本也得到大幅降低，但每立方米氢气（H2）的生产能耗仍然较高（4.5~4.8千瓦时）。目前，由于阳极析氧反应固有的热力学电位限制，会导致90%以上的电力消耗用于产氧，同时高浓度的氧气对电解槽系统也有一定的安全风险。
在HMF电氧化过程中，通常采用高电位诱导生成高价态活性金属位点，从而催化HMF氧化，这意味着需要消耗大量的电能来驱动活性物质再生；同时，在高电流密度下，水相体系中反应物HMF与催化剂相互作用关系复杂，HMFOR与OER相互竞争，导致目标产物FDCA的效率较低。针对上述问题，研究团队开发了一种新型非晶态类金属NiCoBx材料用于HMF电氧化，与传统非贵金属催化剂相比，NiCoBx具有在相对较低的电位下选择性氧化HMF的性能。此外，在HMFOR过程中，当NiCoBx结构演化形成活性相时，含有醛基官能团的反应物HMF会优先吸附在催化剂材料表面，加速金属位点的电子转移及脱氢过程，从而促进HMFOR活性相（Ni/B掺杂CoOOH）的原位生成。这种独特的“反应物诱导活化催化剂”机理在提高HMFOR催化活性的同时，可以有效避免OER副反应发生，只需要1.33V（相对于可逆氢电极）的低电位就能产生200mA cm-2的高电流密度，并在多个测试循环中保持较高的FDCA产率（93.0%-99.7%）、法拉第效率（92%-95%）和选择性（100%）。
该工作主要由华东理工大学材料科学与工程学院博士生徐皓观、硕士生宁欣然在刘鹏飞副教授、袁海洋副教授、杨化桂教授等人的指导下完成。研究工作得到国家自然科学基金、上海市“碳达峰碳中和专项”和上海市基础研究特区等资金项目的资助。
