【儀表網 研發快訊】氫氣既是能源載體也是工業氣體，應用廣泛。氫氣根據其制備過程的排放情況，主要分為灰氫、藍氫和綠氫，分別表示化石燃料制氫、工業副產氫和可再生能源制氫。中國是氫氣的生產和消耗大國，目前年產量超3000萬噸，其中絕大部分來源于化石燃料燃燒和副產氫，會帶來額外的二氧化碳排放。在“雙碳”目標驅動下，眾多行業面臨碳減排壓力，亟需加快綠氫技術的發展。電解水制氫技術是目前重要的綠氫制備方法，但因陽極析氧反應(OER)動力學過程緩慢、過電位高等問題，整體能量轉換效率偏低，制氫成本居高不下。這一技術瓶頸嚴重制約了綠氫的大規模商業化應用，亟需通過開發新型高效催化劑、優化反應體系或探索替代性制氫技術來突破現有局限。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所氫能與儲能材料技術實驗室氣體催化與分離團隊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能壘高、動力學緩慢以及陽極產物價值低的難題，采用甘油電氧化反應替代析氧反應，降低電解制氫的能耗同時能夠獲得高附加值化學品。針對甘油氧化反應路徑多、產物復雜且選擇性低的挑戰，團隊基于理性材料設計發展了一種高熵催化劑(PtCuCoNiMn)，該催化劑可實現在0.2 A cm-2下高選擇性(>70%)制備甘油酸(圖1)。團隊還搭建了一套小型電解槽，通過間歇電解實現了0.2 A高電流密度下催化劑的穩定運行(>200 h)。原位譜學表征發現Pt為催化位點，其甘油氧化為甘油酸的反應路徑為：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化(圖2)。密度泛函理論(DFT)計算發現甘油醛脫水反應(-*H和-*OH)的難易程度是決定乳酸是否產生的關鍵環節(圖3)。Cu的引入在熱力學上抑制了副產物乳酸的生成，在動力學上促進了目標產物甘油酸的生成，而Co、Ni、Mn可調節催化表面氧化態以保護Pt活性位點。本研究表明，通過構建高熵表面來定制催化劑/電解質界面的催化位點，是電化學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研發計劃(2023YFB4005900)、科技創新2030項目(2024ZD0607700)、國家自然科學基金面上項目(52271232)、寧波市2025重大項目(2022Z205)、寧波市青年科技創新與領軍人才項目(2023QL026)、浙江省自然科學基金重大項目(LD21E020001)等的支持。
圖1 甘油電氧化性能與反應路徑
圖2 催化機理研究
圖3 DFT計算
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