广东
导读
近日，广东工业大学轻工化工学院邱学青教授团队在木质素碳基材料应用领域取得重要进展，提出了一种基于木质素分子结构可编程调控的界面微环境构筑策略。以电化学氧化木质素为前驱体，构筑木质素-金属超分子框架复合物，原位碳化形成Ni富集RuNi合金限域于N、O协同调控的木质素衍生碳微环境中。木质素碳不仅是载体，更作为Donnan水合漏斗调控界面水和OH⁻的富集、极化与传输，从而提升RuNi合金中Ni主导水解离、Ru主导产氢和Ru–O物种促甲醛氧化的位点协同效应，实现低能耗双极制氢。相关成果发表于国际化学领域TOP期刊《Journal of the American Chemical Society》。
木质素是自然界中储量最丰富的可再生芳香族高分子，具有高含碳量、丰富含氧官能团和三维交联网络结构，被认为是构筑碳基电催化材料的重要生物质前驱体。相比传统碳源，木质素来源广泛、成本低廉，其天然芳香骨架和多功能基团可为金属离子配位、杂原子掺杂和界面结构调控提供独特分子基础，因而在生物质高值化利用和能源催化领域受到广泛关注。然而，工业木质素分子结构复杂、分子量分布宽、官能团空间分布不均，且强π–π堆积易导致致密聚集，使金属离子难以均匀锚定，活性位点易团聚，电子传输和界面传质过程受限。目前多数木质素衍生电催化材料仍主要将木质素作为碳源或结构模板，对其分子结构调控、金属配位能力以及界面微环境构筑作用的利用仍然不足。在碱性电催化体系中，反应效率不仅受金属活性中心本征活性控制，还高度依赖界面水结构、OH⁻富集传输及中间体稳定。对于低能耗制氢而言，以易氧化有机分子替代动力学缓慢的析氧反应，可有效降低阳极电位，但也对多位点协同和界面传质提出更高要求。因此，如何将木质素由传统碳源升级为兼具金属位点构筑和界面水合调控功能的平台，是实现高效电解的关键。针对这一挑战，邱学青教授团队提出电氧化木质素导向的 Donnan 水合漏斗构筑策略，将木质素结构调控从金属锚定与碳骨架构筑推进到界面水合微环境调控，实现RuNi合金、木质素衍生碳微环境与醛辅助双极制氢的高效耦合，为木质素衍生微环境调控型电催化剂设计及低能耗双极制氢提供了新的材料范式和反应路径。
团队长期围绕木质素微结构调控及其高值化应用开展研究，前期工作通过羧甲基化（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202306333）、胺化（ACS Catal. 2022, 12, 11573–11585）、氧化氨解改性（Adv. Mater.2025,2501113;Fundam.Res.2025,doi.org/10.1016/j.fmre.2025.09.020）以及水热改性(J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 50, 46360-46372)等策略，赋予木质素更均匀、更可控的表面官能团分布，推动其由传统生物质碳源转变为可精准配位金属离子的功能化生物质配体。本工作创新提出电氧化木质素导向的界面微环境构筑策略，将木质素分子结构调控、RuNi 合金界面工程与 Donnan 水合效应有机结合，用于低能耗醛辅助双极制氢。RuNi@NOLC在碱性 HER 中仅需 10 mV 过电位即可达到 10 mA cm⁻²，在甲醛氧化中仅 0.32 V 即可达到 100 mA cm⁻²。耦合 HER 与 FOR 后，体系能耗降至 0.76 kWh Nm⁻³ H₂，并实现 199.6% 的表观氢气法拉第效率和 99.5% 的甲酸盐法拉第效率。该研究为木质素从可再生碳源迈向界面微环境调控平台提供了新的范式，也为低能耗双极制氢开辟了新的反应路径。
论文第一作者为博士后刘江淋，通讯作者为广东工业大学轻工化工学院邱学青教授和林绪亮教授。论文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.6c07813
来源：广东工业大学
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