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中科院宁波材料所电解制氢耦合高值化学品制备研究获进展
2025年03月27日 08:42:40
来源：Ky开元集团 点击量：7762
相关成果Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electro-oxidation to glycerate at high current density于近日发表于《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)
电解水制氢作为绿氢生产的关键技术，因阳极析氧反应(OER)动力学缓慢、能耗高等问题，长期制约其大规模应用。中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研团队创新性地提出以甘油电氧化替代传统OER，不仅显著降低制氢能耗，还同步生产高附加值化学品甘油酸，相关成果Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electro-oxidation to glycerate at high current density于近日发表于《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)。
传统电解水制氢技术中，阳极OER需转移4个电子，反应能垒高且副产物氧气经济价值低，导致整体效率受限。为解决这一问题，研究团队提出“替代性阳极反应”策略，将生物质衍生物甘油作为反应物，通过其电氧化生成高值化学品(如甘油酸、乳酸等)。然而，甘油氧化路径复杂，产物选择性低，且需在高电流密度下实现稳定催化，这对催化剂设计提出了极高要求。
研究团队开发了一种高熵合金催化剂(PtCuCoNiMn)，通过多金属协同效应优化催化表面活性位点，实现了甘油选择性氧化路径的精准调控。实验表明：
1. 高选择性与高电流密度兼容：在0.2 A cm?²的工业级电流密度下，甘油酸选择性达90%以上，大幅优于传统催化剂。
2. 协同催化机制：Pt作为主要活性位点主导甘油氧化，Cu通过抑制副产物乳酸生成提升选择性，而Co、Ni、Mn则通过调节表面氧化态保护Pt活性位点，延长催化剂寿命。
3. 原位表征与理论计算验证：结合原位光谱与密度泛函理论(DFT)计算，揭示了甘油氧化路径为“端羟基活化→甘油醛中间体生成→甘油酸电氧化”的分步机制，并证明Cu的引入通过热力学和动力学双重作用抑制副反应。
团队搭建的小型电解槽在间歇运行模式下，成功实现了0.2 A高电流密度下的稳定制氢与甘油酸联产。通过优化催化剂/电解质界面，电极在长时间运行中未出现显著活性衰减，为规模化应用提供了技术验证。
宁波材料所此项研究不仅突破了电解制氢的能效瓶颈，更开创了“绿氢+高值化学品”联产的新模式，为可再生能源驱动的化工生产提供了创新范式。未来，结合团队在海水电解制氢阴极与阳极稳定性等领域的技术积累，有望实现多场景、全链条的绿氢产业化应用。
研究工作得到国家重点研发计划、科技创新2030-重大项目、国家自然科学基金以及浙江省和宁波市相关项目等的支持。
参考来源： 宁波材料技术与工程研究所
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