合肥研究院在生物質電催化轉化方面取得進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所在生物質電催化轉化方面取得新進展，該工作不僅展示了生物質平台分子——糠醛的綠色電催化轉化升級過程，還對電催化轉移加氫機理進行了深入探究。相關研究成果發表在期刊Applied Catalysis B: Environmental（doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.12.025）上。

面對日益枯竭的傳統化石能源（如石油、煤、天然氣等）以及日益加劇的環境污染問題，人類必須不斷追求和發展新的可持續能源轉換與儲存體系。基於綠色植物光合作用產生生物質作為一種重要的可再生資源產生方式，已被各國看作是替代化石能源制備燃料與化學品的重要途徑，其中纖維素作為生物質最主要的組成部分，占生物質組成的40%～60%，是自然界中最豐富的非糧碳水化合物，對其催化轉化制取具有高附加值的化學品是做到人類社會可持續發展的關鍵。近年來，如何將纖維素初步衍生的平台分子進一步催化轉化得到更高附加值的化學品已成為能源領域的重點研究方向。

然而，生物質衍生的平台分子，例如糠醛或5-羥甲基糠醛轉化成高附加值的化學制品合成條件非常苛刻，轉化率和選擇性低，將生物質平台分子推廣到更大應用範圍，仍然是一個極具挑戰性的問題。目前主要使用的方法還是普通的熱催化轉化法，該方法需要高溫高壓條件，且催化劑與溶劑都有毒性，對環境造成污染。

綠色的電催化生物質轉化技術相較於傳統的生物質轉化方法（包括傳統的熱催化或光催化方法），具有如下優點：一是可以取代高成本的氫氣可能有機分子（如異丙醇等）使用，直接用水作為轉移加氫的氫源，避免了使用比較危險的氫氣或價格昂貴的犧牲劑；二是在常溫常壓下即可以驅動催化反應進行，無需高溫高壓的反應條件，從而有效降低了轉化過程中的能量消耗；三是可以通過調控電流大小或者改變溶液的pH值，調節電催化合成反應速率，同時可以提高對反應產物的選擇性；四是電催化或光電催化技術可做到催化加氫還原反應與氧化反應同時進行，有助於提高能量轉換利用效率，五是生物質電催化加氫還是一種清潔可靠的氫能源儲存方式，具有巨大的應用前景。當然，生物質電催化合成也面臨許多挑戰，比如由於電催化加氫反應是在水系條件反應進行，電催化水分解（產生氫氣）不可避免地成為電催化加氫反應的有力競爭反應，最終會導致電催化加氫反應的法拉第效率與轉化率非常低。更重要的是，電催化轉移加氫反應與電催化水分解析氫之間的競爭機制，至今仍然是模糊的。

鑒於綠色電催化合成的優點與挑戰，科研人員選擇糠醛的電催化升級反應作為模型，採用新穎的氣相水熱法，設計並構築了碳纖維布（CFC）負載金屬磷化物電極（圖a），並利用該電極組裝了糠醛電催化轉化體系，做到了高選擇性、高法拉第效率、高電流密度糠醛加氫還原轉化到糠醇、氧化轉化到糠酸（圖b）；通過同位素標記法（D2O），直接證明了糠醛電催化加氫的氫就是來自於水中的氫原子（圖c）；科研人員還通過密度泛函理論計算探究了Cu3P/CFC對糠醛高效電催化加氫的機理，結果表明，在制備的Cu3P暴露晶面（1-10），具有較高的吸附氫原子濃度及較高的H2脫附能，抑制了電催化析氫過程（圖d），從而做到了其對糠醛電催化加氫的選擇性。

此研究工作不僅對如何設計高催化活性、高選擇性電催化轉移加氫催化劑具有指導意義，而且對電催化有機合成體系的設計和構建也具有重要的指導價值。

該項工作得到國家自然科學基金、中科院百人計劃和中科院創新研究團隊國際合作項目的資助。

圖（A）氣相水熱法合成金屬磷化物示意圖，與合成的Ni2P/CFC和Cu3P/CFC的掃描電鏡圖片；（B）兩電極體系下糠醛電催化轉化產物產量與反應物剩餘量隨時間變化，兩電極體系下糠醛電催化轉化示意圖；（C）糠醛與產物糠醇的質譜圖；（D）電催化加氫與電催化析氫之間競爭關係示意圖。