生物质作为一种新型的可再生非化石资源，被认为是潜在化石资源替代品。5-羟甲基糠醛（HMF）作为生物质资源的重要代表性平台产品之一，可以作为原料生产多种高附加值化合物。将电氧化HMF与在新能源领域中具有重要研究意义的析氢反应耦联是一种极具应用前景的绿色策略，不仅能够突破电催化水裂解体系的动力学瓶颈，而且能够有效降低体系电能消耗。然而，目前该研究方向仍处于概念验证的初始阶段，并面临许多挑战。
日前，金属所沈阳材料科学国家研究中心能源催化材料课题组齐伟研究员团队提出通过电沉积技术将镍以纳米片的形式均匀生长在碳纸基底上制备复合电极材料，并利用该材料探究镍基催化剂对HMF电催化促进作用机理和构效关系规律的新颖研究思路。相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上。
制备获得的镍纳米片/碳纸复合电极能够在较低的反应电位(1.36VRHE)下高选择性电催化HMF氧化生成2,5-呋喃二甲酸（FDCA）并耦合高效析氢反应，反应体系对目标产物FDCA的选择性和产率均接近100%，生成H2的法拉第效率为95.3%，且该催化剂展示出较高的稳定性，经多次重复利用后仍无活性衰减现象。关联镍纳米片/碳纸复合电极材料的活性与结构可以发现这种优异的催化性能主要来源于碳纸上负载的镍纳米片较低的结晶度、更多的边缘位点以及独特的电子结构。处于边缘位缺电子状态的镍单质容易在反应过程中被原位氧化为具有更高价态的Niδ+物种（NiO 或 NiOOH细小晶粒），从而显著提高了镍纳米片/碳复合电极的催化活性。第一性原理计算明确了催化反应路径并揭示了催化活性的提高主要来源于Niδ+物种对HMF更有利的吸附构型、较强的吸附能和较低的基元反应步骤能垒。
这种新颖的镍纳米片/碳复合电极在HMF的电氧化反应中展示出了理想的催化活性、能量效率和稳定性，为生物质资源的高效利用和可持续发展提供了新思路。另外这项工作也从另一个侧面表明了在原子水平上对反应机理的理解以及电子结构工程策略对高效电催化剂设计制备的重要意义。
文章的第一作者和通讯作者分别为金属所沈阳材料科学国家研究中心联合研究部的卢星宇博士研究生和齐伟研究员。
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图1. 镍/碳复合电极的形貌与性能
图2. 镍纳米片/碳复合电极的高活性来源和结构-功能关系探索
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