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仪表网 研发快讯】甘油氧化作为生物质平台分子增值的重要途径，其氧化产物广泛应用于制药、食品、化妆品和纺织等行业。然而，传统热催化甘油氧化过程依赖高温高压的反应条件，使用有毒氧化剂和溶剂，污染大、能耗高，限制了其可持续发展。面对国家“双碳”战略目标及绿色发展的迫切需求，电催化甘油氧化(GOR)技术应运而生。该技术以水为氧化剂，以绿色电能为能量输入，不仅为甘油绿色氧化升级提供了新路径，还可替代电解水制氢过程中的高能耗析氧反应，降低系统能耗，实现在生产高值化学品的同时高效制备绿氢，具有显著的科学研究价值与应用前景。
过渡金属氧化物(如Co3O4、NiO等)因其催化性能优异和成本较低，成为GOR反应中常用的催化材料。然而，在面向氢能产业所需的工业级电流密度(>500 mA cm−2)下进行GOR时，这类材料表面易发生氧化非晶化，进而引发析氧副反应，降低目标产物的法拉第效率。这一科学挑战严重制约了GOR技术在氢能产业中的规模化应用。
针对该挑战，中国科学院金属研究所太阳能与氢能材料研究团队提出了一种通过引入Cu2+抑制过渡金属氧化物表面非晶化的新策略(Cu-GOR)。相关研究结果表明，在电解液中添加微量Cu2+(相当于反应物浓度的1%)，利用Cu2+/Cu+在电催化氧化过程中的可逆氧化还原，可有效维持催化材料晶体结构的稳定性，抑制过渡金属氧化物催化材料的表面非晶化过程。以泡沫镍负载Co3O4催化材料为例，在800 mA cm−2的工业级电流密度下，Cu2+的引入使目标产物甲酸的法拉第效率从62.2%提高至99.3%，性能显著优于已报道的催化材料。同时，该催化材料和反应体系易于放大，6×6 c㎡电极材料的甘油氧化产物收率达到13.2 g h−1，稳定性超过100小时。该策略还可扩展至其他过渡金属氧化物(如镍基材料)及多种生物质电氧化反应体系(如5-羟甲基糠醛电氧化)，为推进生物质电催化技术在绿色氢能产业中的应用提供了新思路。
相关研究成果以“Efficient glycerol electrooxidation at an industrial-level current density”为题，发表于《Nature Sustainability》。太阳能与氢能材料研究部博士研究生李云龙为论文第一作者。
图1. Cu2+抑制催化材料表面非晶化过程的示意图。
图2. Cu2+抑制催化材料表面非晶化过程的TEM图。(a) Co3O4的TEM图；(b) 经过常规GOR反应后Co3O4的TEM图；(c) 经过Cu-GOR反应后Co3O4的TEM图。
图3. Cu2+抑制催化材料表面非晶化的电催化性能。(a) 与已报道的甘油电氧化性能比较；(b) 电极催化材料放大；(c) Cu-GOR反应的稳定性。
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