催化剂添新“铠甲”，中国科学院妙用铜离子提升转化效率

IT之家 10 月 21 日消息，甘油是生产生物柴油过程中大量产生的副产品。如果能高效、环保地将甘油氧化转化，它就能“变废为宝”，升级成为制造药物、食品添加剂、护肤品以及高端面料的重要原材料。

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。基于此，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。

中国科学院金属研究所的研究团队近期在绿色化学技术领域取得重要突破。他们成功解决了电催化甘油氧化技术在工业应用中的一项关键难题，使得这项以水为氧化剂、利用绿色电能的环保工艺，有望真正走向大规模生产。

IT之家查询获悉，相关研究成果已于 10 月 21 日发表在《自然-可持续发展》上。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。

相比于传统依靠高温高压的热催化氧化方法，电催化甘油氧化技术直接利用水和电能，过程清洁且低碳，是一条极具前景的绿色升级路径。

然而，这项技术在向工厂大规模应用推进时遭遇了重大障碍。工业级生产需要施加很强的电流（即大电流密度），但在这种高强度条件下，常用的钴、镍等金属氧化物催化剂会变得不稳定，表面结构会像被“电糊了”一样松散、无序（发生氧化非晶化）。这种失效不仅导致生产目标产物的效率大幅下降，更白白浪费了宝贵的电能和原料甘油，成为产业化路上的“拦路虎”。

面对这一挑战，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。