氫氣既是能源載體又是工業(yè)氣體。氫氣根據(jù)其制備過程的排放情況，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。當(dāng)前，電解水制氫技術(shù)是重要的綠氫制備方法，但因陽極析氧反應(yīng)動力學(xué)過程緩慢、過電位高等問題，使得整體能量轉(zhuǎn)換效率偏低，制氫成本較高。這一技術(shù)瓶頸制約了綠氫的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此，亟需開發(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)。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研團(tuán)隊致力于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、動力學(xué)緩慢和陽極產(chǎn)物價值低的難題，該研究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)雜且選擇性低等挑戰(zhàn)，研究基于理性材料設(shè)計發(fā)展了高熵催化劑（PtCuCoNiMn）。該催化劑可實現(xiàn)在0.2 A cm-2下高選擇性制備甘油酸。研究還搭建了一套小型電解槽，通過間歇電解實現(xiàn)了0.2 A高電流密度下催化劑的穩(wěn)定運行。原位譜學(xué)表征發(fā)現(xiàn)，Pt為催化位點，其甘油氧化為甘油酸的反應(yīng)路徑是端羥基的活化與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。密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，甘油醛脫水反應(yīng)的難易程度是決定是否產(chǎn)生乳酸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Cu的引入在熱力學(xué)上抑制了副產(chǎn)物乳酸的生成，在動力學(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。
該研究發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)建高熵表面來定制催化劑/電解質(zhì)界面的催化位點是電化學(xué)催化的有效策略之一。
相關(guān)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《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、科技創(chuàng)新2030-重大項目、國家自然科學(xué)基金以及浙江省和寧波市相關(guān)項目等的支持。
甘油電氧化性能與反應(yīng)路徑
本文鏈接：電解制氫耦合高值化學(xué)品制備研究獲進(jìn)展http://www.sq15.cn/show-12-904-0.html
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