科研学术

　　近日，材料与能源学院张亚刚教授团队在国际高水平期刊Nano-Micro Letters上发表了题为“Enhancing the Electrocatalytic Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural Through Cascade Structure Tuning for Highly Stable Biomass Upgrading”的研究性论文，报道了通过级联策略构建生物质高效电催化转化的方法。电子科技大学博士蒋小丽为第一作者，电子科技大学张亚刚教授、中国科学技术大学林岳教授、清华大学危岩教授为共同通讯作者。电子科技大学材料与能源学院为第一通讯单位。

　　该研究工作开发了基于级联策略的Pd-NiCo2O4电催化剂的方法。通过Ni掺杂和Pd负载的级联调控实现了OH−和HMF的竞争吸附平衡，促进了HMF在Pd-NiCo2O4催化剂上的直接和间接氧化过程。研究阐明了化学组成、结构和性能之间的本质联系，系统评估了Ni掺杂和Pd负载对促进基于多种醇和糠醛底物的及杂化偶联反应的电化学生物质催化转化性能。

　　电解水制氢是获取高能量密度氢能最具潜力的途径之一。然而，阳极上的析氧半反应（OER）动力学相对缓慢，高过电位造成该过程能量消耗高。近年来，将阳极上的OER替换为热力学上更有利的小分子氧化反应可以有效降低能耗。例如，将生物质衍生物5-羟甲基糠醛（HMF）催化转化为2，5-呋喃二甲酸（FDCA）与阴极析氢反应（HER）耦合，既能实现节能制氢，又能同时获得高附加值生物基产品。对于HMF氧化反应，无论是传统的间接氧化还是电位依赖氧化机制，均需要HMF和OH−两种物质同时参与。然而，由于有限的吸附位点，这两种底物在催化剂表面会发生竞争吸附，因此，开发可平衡HMF和OH−吸附的催化剂对于提高HMF催化性能具有重要意义。

　　尖晶石氧化物是一种经典的过渡金属氧化物，由于其丰富的活性位点和可调的配位结构等优点，被广泛用于电催化反应中。该工作提出了一种级联策略，通过在Ni掺杂的Co3O4上负载Pd来构建Pd-NiCo2O4电催化剂，并实现高效稳定的HMF氧化。通过Ni的嵌入促进了Co2+预氧化和亲电OH*的生成，有助于直接氧化过程。Pd原子的引入可以调节Ni/Co的局部电子结构，不仅可以平衡HMF和OH−的竞争吸附，还可以促进活性Ni3+物种的形成，诱导较高的间接氧化活性，从而大幅提升催化剂的HMFOR性能。利用多种物理化学表征手段探究并揭示了其催化作用机制，本研究所开发的级联策略能平衡竞争性物种吸，为催化剂设计提供了有益的研究参考，也为构建高效的HMFOR催化剂提供了新的思路。

　　张亚刚教授团队聚焦功能导向的分子识别与组装，开展面向能源、环境和大健康的新型功能和复合材料设计，生物基新型功能材料的创制，部分研究成果得到产业化应用，先后获省部级科技进步一等奖2项，二等奖3项。

　　该工作得到了四川省科技厅重点研发计划面上项目（2023YFG0222）、电子科技大学杰出人才启动经费（A1098 5310 2360 1208）、中国科学院青年创新促进会（2020458）、国家自然科学基金（21464015、21472235、52122212、12274391、223210001）和北京市自然科学基金项目（IS23045）等项目的经费支持。

　　论文链接：

　　https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-024-01493-3