近日，Journal of Materials Chemistry A在线发表了肖湘衡教授课题组与美国圣地亚哥州立大学顾竞教授课题组的合作研究成果。该工作提出利用生物质平台分子的电化学增值氧化取代传统电解水系统中的析氧半反应（OER），并证实该策略显著降低了阳极电能消耗，提高了阳极氧化产物的附加值，进而在极低的电池电压下实现了氢气和高附加值化学品的协同生产。论文题为“Solar-assisted co-electrolysis of glycerol and water for concurrent production of formic acid and hydrogen”。
电解水制氢技术被认为是实现可持续氢能源生产的有效手段。过去几十年对电解水领域的研究取得了重要进展，特别是对于析氢半反应（HER）的研究，多种高效、廉价的催化剂相继被报道。尽管OER研究也取得了大量进展，但其过高的过电位依然严重制约着整个电解水技术的进一步应用。这主要是由于迟缓的水氧化热力学和动力学导致的。基于此，研究人员提出利用热力学上更容易发生的有机小分子的电氧化反应取代传统电解水系统中的OER过程，并将其与HER耦合，构建新型电解水制氢系统。
该研究主要探究了生物质平台分子丙三醇（也是生物柴油制造过程中的廉价副产品）的电氧化取代OER的可行性。作者发现双 (N, N’-二-i-丙基乙脒基) 钴 (II)衍生的N-CoOx电催化剂对于氧化丙三醇具有优异的催化活性，在10 mA cm-2的电流密度下，丙三醇氧化所需电势（仅1.31 V）相对于OER降低了270 mV，这表明利用丙三醇氧化取代OER在降低能耗成本上具有十分显著的优势。更重要的是，该催化剂可选择性催化丙三醇氧化为甲酸，法拉第效率可达96.2%，而甲酸的附加值远高于OER过程所产生的氧气。此外，工业法制甲酸通常需要高温、高压的苛刻条件。这表明利用丙三醇氧化取代OER在提升产物附加值，增加水电解制氢技术的经济可行性上同样具有显著优势。需要指出，为了进一步降低该新型电解系统的电能消耗，作者将丙三醇电氧化与光电催化HER进行了耦合，最终该系统在太阳能辅助下，仅需再额外提供1.15 V电压（10 mA cm-2），便能实现氢气和高附加值甲酸的同时生产。总的来说，该工作提供了一种有效的可持续制氢的参考策略，并为高附加值化学品的电合成与清洁能源制造的协同研究提供了新的思考方向。
原文链接：https://doi.org/10.1039/D1TA02654B
（通讯员：柯尊健）
