生物質(zhì)作為一種新型的可再生非化石資源，被認為是潛在化石資源替代品。5-羥甲基糠醛（HMF）作為生物質(zhì)資源的重要代表性平臺產(chǎn)品之一，可以作為原料生產(chǎn)多種高附加值化合物。將電氧化HMF與在新能源領(lǐng)域中具有重要研究意義的析氫反應(yīng)耦聯(lián)是一種極具應(yīng)用前景的綠色策略，不僅能夠突破電催化水裂解體系的動力學(xué)瓶頸，而且能夠有效降低體系電能消耗。然而，目前該研究方向仍處于概念驗證的初始階段，并面臨許多挑戰(zhàn)。
日前，金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心能源催化材料課題組齊偉研究員團隊提出通過電沉積技術(shù)將鎳以納米片的形式均勻生長在碳紙基底上制備復(fù)合電極材料，并利用該材料探究鎳基催化劑對HMF電催化促進作用機理和構(gòu)效關(guān)系規(guī)律的新穎研究思路。相關(guān)成果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition雜志上。
制備獲得的鎳納米片/碳紙復(fù)合電極能夠在較低的反應(yīng)電位(1.36VRHE)下高選擇性電催化HMF氧化生成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）并耦合高效析氫反應(yīng)，反應(yīng)體系對目標產(chǎn)物FDCA的選擇性和產(chǎn)率均接近100%，生成H2的法拉第效率為95.3%，且該催化劑展示出較高的穩(wěn)定性，經(jīng)多次重復(fù)利用后仍無活性衰減現(xiàn)象。關(guān)聯(lián)鎳納米片/碳紙復(fù)合電極材料的活性與結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)這種優(yōu)異的催化性能主要來源于碳紙上負載的鎳納米片較低的結(jié)晶度、更多的邊緣位點以及獨特的電子結(jié)構(gòu)。處于邊緣位缺電子狀態(tài)的鎳單質(zhì)容易在反應(yīng)過程中被原位氧化為具有更高價態(tài)的Niδ+物種（NiO 或 NiOOH細小晶粒），從而顯著提高了鎳納米片/碳復(fù)合電極的催化活性。第一性原理計算明確了催化反應(yīng)路徑并揭示了催化活性的提高主要來源于Niδ+物種對HMF更有利的吸附構(gòu)型、較強的吸附能和較低的基元反應(yīng)步驟能壘。
這種新穎的鎳納米片/碳復(fù)合電極在HMF的電氧化反應(yīng)中展示出了理想的催化活性、能量效率和穩(wěn)定性，為生物質(zhì)資源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。另外這項工作也從另一個側(cè)面表明了在原子水平上對反應(yīng)機理的理解以及電子結(jié)構(gòu)工程策略對高效電催化劑設(shè)計制備的重要意義。
