本研究提出了一種高效的太陽能制氫新方法，通過將水電解與生物質(zhì)來源葡萄糖的選擇性氧化相結(jié)合，實現(xiàn)了突破性進展。該技術(shù)的核心是一種銅摻雜的鈷氧羥化物催化劑，它能夠引導(dǎo)葡萄糖沿著精細調(diào)控的α–C–C鍵斷裂級聯(lián)反應(yīng)路徑進行轉(zhuǎn)化，在顯著降低陽極電位近400mV的同時，將甲酸鹽的生成率提升至最高80%。這一設(shè)計使得在無需隔膜的簡單反應(yīng)器中即可實現(xiàn)制氫，氫氣生成速率超過500μmol·h-1·cm-2。通過在制氫過程中將來源于非糧食生物質(zhì)纖維素的低成本糖類轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，該方法不僅提高了能效，也顯著改善了經(jīng)濟可行性，為太陽能燃料提供了一種更可持續(xù)的發(fā)展模式。

　　隨著全球加速邁向碳中和能源體系，太陽能驅(qū)動的水電解已成為清潔氫氣生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。然而，由于氧析出反應(yīng)能耗高，整體運行成本依然居高不下，嚴重制約了其大規(guī)模應(yīng)用。生物質(zhì)來源的糖類為此提供了一條極具吸引力的替代反應(yīng)路徑，它們更易被氧化，并可同時生成高價值化學(xué)產(chǎn)品。但如何避免葡萄糖過度氧化，并將其定向轉(zhuǎn)化為單一高價值產(chǎn)物（如甲酸鹽），一直是該領(lǐng)域的基礎(chǔ)性難題。因此，開發(fā)能夠通過精心設(shè)計的反應(yīng)路徑，引導(dǎo)葡萄糖進行選擇性、節(jié)能氧化的催化劑，已成為迫切需求。

　　2025年5月26日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)與南洋理工大學(xué)的研究團隊在期刊《eScience》上發(fā)表研究成果（DOI:10.1016/j.esci.2025.100431），報道了一種銅改性的鈷氧羥化物催化劑，可在高制氫速率下將葡萄糖高選擇性轉(zhuǎn)化為甲酸鹽。該無隔膜共電解系統(tǒng)由InGaP/GaAs/Ge三結(jié)光伏器件驅(qū)動，氫氣生成速率超過500μmol·h-1·cm-2。研究提出了一種由催化劑引導(dǎo)的級聯(lián)氧化機制，大幅降低了能量輸入，為將太陽能制氫與可持續(xù)生物質(zhì)升級相結(jié)合開辟了新路徑。

　　研究人員首先比較了多種地殼豐度較高的金屬氧羥化物，確定CoOOH是葡萄糖氧化的理想起點。隨后，他們系統(tǒng)性地引入不同摻雜元素，發(fā)現(xiàn)僅添加5mol%的銅即可顯著提升CoOOH的選擇性與電催化效率。經(jīng)銅摻雜后，甲酸鹽的生成率由50%提高至80%，葡萄糖氧化的起始電位降低約400mV，使得在堿性條件下實現(xiàn)高度節(jié)能的共電解成為可能。

　　通過X射線光電子能譜、拉曼光譜、電子顯微鏡以及原位阻抗分析等多種先進表征手段，研究團隊揭示了銅元素如何重塑催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)。銅能夠穩(wěn)定具有反應(yīng)活性的Co3+位點，同時抑制通常會導(dǎo)致非選擇性斷鍵的高活性Co4+物種。密度泛函理論計算進一步表明，銅摻雜抑制了葡萄糖的側(cè)向吸附和產(chǎn)生副產(chǎn)物的β斷裂路徑，轉(zhuǎn)而促進醛基端向吸附，使反應(yīng)沿著逐步α–C–C鍵斷裂路徑進行，從而使每一個碳原子都以甲酸鹽形式釋放。

　　當(dāng)該陽極體系與地殼豐度較高的Ni4Mo陰極耦合時，在無隔膜電池中可實現(xiàn)近100%法拉第效率的純氫生成。在聚光太陽照射下，裝置的制氫速率達到519.5±0.4μmol·h-1·cm-2，并在連續(xù)24小時運行中保持穩(wěn)定性能。

　　一位研究負責(zé)人指出，該成果展示了催化劑設(shè)計如何同時重塑太陽能制氫的效率與經(jīng)濟性。通過將葡萄糖氧化精準(zhǔn)引導(dǎo)至高選擇性的α斷裂路徑，催化劑不僅降低了電能消耗，還同步將生物質(zhì)升級為高價值化工原料。這種兼具制氫與化學(xué)品生產(chǎn)功能的體系，標(biāo)志著可再生氫技術(shù)向更集成化、更具成本競爭力方向邁出的關(guān)鍵一步，證明了可持續(xù)化學(xué)與清潔能源生產(chǎn)能夠相互促進、協(xié)同發(fā)展。

　　總體而言，這一共電解策略通過高能效運行與甲酸鹽副產(chǎn)品銷售相結(jié)合，為綠色制氫提供了一條具備規(guī)�；瘽摿η揖哂薪�(jīng)濟競爭力的路徑。經(jīng)濟模型顯示，該方法可將平準(zhǔn)化氫氣成本降低至1.54美元/千克，與甚至低于化石燃料制氫成本。無隔膜設(shè)計還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了資本投入，使工業(yè)化應(yīng)用更具可行性。更重要的是，該催化劑在農(nóng)業(yè)廢棄物水解液中同樣表現(xiàn)出優(yōu)異性能，表明其與真實生物質(zhì)資源高度兼容，有望在未來循環(huán)生物經(jīng)濟體系中支持分布式氫氣生產(chǎn)。

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