用户前沿丨黑龙江大学付宏刚 Nano Energy：大电流密度下HMFOR辅助制氢

天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

2024/09/19 17:22

科研进展

近日，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室付宏刚团队在《Nano Energy》上发表了题为” Ni-Cu-based phosphide heterojunction for 5-hydroxymethylfurfural electrooxidation-assisted hydrogen production at large current density”的研究成果。

团队通过成功构建Ni3P-Cu3P/CF，实现了对HMFOR的大电流密度和高选择性。结合多种表征手段和理论计算，Ni3P-Cu3P异质界面处的电荷重新分布优化了HMF和OH*物种的吸附，并通过钝化析氧反应（OER）扩大了电位窗口。在使用Ni3P-Cu3P/CF和自制的MoNiNx/NF分别作为阴极和阳极构建HMFOR辅助制氢系统时，能耗相较于纯水分解显著降低。为通过构建异质结设计高效的HMFOR电催化剂提供了指导，以促进低能耗制氢和增值化学品的合成。

黑龙江大学硕士研究生富佳俊为文章的第一作者，黑龙江大学付宏刚教授、闫海静教授为文章的通讯作者。

由化石能源引发的能源危机和环境污染迫使我们大力开发和利用可再生能源。利用可再生电力进行水电解以制备氢气，符合可持续发展的需求，已经引起了广泛关注。然而，由于缓慢的阳极氧化反应（OER）导致的高能耗，氢气生产效率较低。为了解决这一问题，一种有前景的途径是利用有机氧化反应代替OER，因其具有有利的热力学优势和良好的经济性。在各种阳极氧化反应中，5-羟甲基糠醛（HMF）氧化反应（HMFOR）尤为突出。一方面，用HMFOR替代OER可以实现节能制氢，因为HMF的氧化电位低于OER。另一方面，还可以获得高附加值的产物，如2,5-呋喃二甲酸（FDCA），FDCA是合成聚乙烯呋喃酸酯（PEF）的前体，而PEF是一种石油基聚对苯二甲酸乙二酯（PET）的生物替代品。为了实现HMFOR辅助制氢的实际应用，关键前提是开发高效的非贵金属HMFOR电催化剂。在这方面已经付出了许多努力，许多过渡金属材料，特别是具有高导电性和类贵金属行为的磷化物，表现出了较好的性能。尽管如此，大多数催化剂仅在低电流密度下（<100 mA cm−2）有效，因为在高电位下，HMFOR与OER的竞争更加激烈，使得获得大电流密度和高选择性变得更加困难。因此，探索能够在低电位下工作、具有大电流密度和高选择性的HMFOR电催化剂是极具挑战性但也非常必要的。

▲ 图1 催化剂的制备及表征

▲ 图2 HMFOR 电氧化性能

▲ 图3 催化机理研究

▲ 图4 HMFOR 辅助制氢的整合

黑龙江大学付宏刚团队在分析过程中利用赛里安LC6000 UHPLC对HMFRO的中间体和最终产物进行鉴定和定量，并计算相应的法拉第效率，为整个反应体系的检测保驾护航。

参考文献

Fu J , Yang G , Jiao Y ,et al.Ni-Cu-based phosphide heterojunction for 5-hydroxymethylfurfural electrooxidation-assisted hydrogen production at large current density[J].Nano Energy, 2024, 127.DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109727.

“功能无机材料化学教育部重点实验室” 2008年11月被教育部批准建设，2011年11月通过验收并正式挂牌运行，是黑龙江省化学学科目前唯一一所教育部重点实验室。现任重点实验室主任长江学者特聘教授付宏刚教授，冯守华院士任学术委员会主任。

此实验室是在整合黑龙江大学无机化学、有机化学、物理化学和材料学等学科优势资源基础上组建而成的，以化学一级学科博士学位授予点、化学一级学科博士后科研流动站等人才培养层次为依托，以研发新型功能无机材料为主要方向，以参与国家级、省部级重大科技创新需求为主要功能体现，进而振兴东北老工业基地，拉动黑龙江省先进功能材料这一优势产业的发展，积极为地方经济建设和科技发展做出贡献。

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