中科大章根强教授AFM观点：过渡金属异质结氮化物促进甘油氧化升级辅助工业级高能效产氢

第一作者：朱胤

通讯作者：章根强

单位：中国科学技术大学

氢能被认为是当今社会极具发展潜力的能源之一，具有能量密度高、清洁无污染等优势。传统的电化学水分解产氢方式囿于阳极动力学迟缓的析氧反应，存在着过电势高、能耗大等缺陷，因此需要寻找适宜的小分子氧化替代反应实现高效节能的电催化产氢。生物质电氧化被认为是经济上可行的可再生原料转化为生物燃料和化学品的途径，甘油是生物柴油的主要副产物，价格廉价，电化学催化甘油氧化可获得各种增值的C1/C2/C3平台化合物，被视为是极具发展潜力的生物质小分子氧化反应，其中主要氧化产物之一——甲酸广泛应用于医药、农药等工业领域，具有很高的化工价值。本文报道了一种在泡沫镍上原位生长的具有丰富异质界面的Ni₃N/Co₃N异质结构纳米线，表现出了良好的HER和GOR双功能催化活性，为亲核试剂氧化反应的实际大规模应用提供了启发。

近日，中科大章根强教授课题组设计合成了一种原位生长在泡沫镍上的过渡金属氮化物异质结催化剂，其丰富的异质结界面的电子调节作用使其在催化混合甘油氧化辅助产氢的过程中展现了优异的双催化活性，同步实现了氢气和甲酸在低能耗下的高产率。

高活性的异质界面有助于增强亲核试剂的GOR性能，本文重点设计了丰富的非均相Ni₃N/Co₃N界面，诱导局部亲电/亲核区域的形成，优化了NOR优先电正性界面条件，从而提高了GOR性能，其意义和影响是前所未有的。

采用同步辐射傅里叶变换红外光谱(SR-FTIR)揭示了甘油转化的反应路径。利用原位拉曼光谱证明了Ni₃N/Co₃N-NWs的结构重整，证实了OH*参与的直接氧化和氢氧化物参与的间接氧化在GOR中的综合机制。

通过对羟基、醛基氧化、C-C键裂解等复杂过程进行深入的DFT计算和更深入的反应机理研究，阐明了异质结界面高效甲酸生成的内在反应动力学优势。

以Ni₃N/Co₃N-NWs为电极，基于流动电解槽的甘油混合电解在2.01 V下电流密度可达1 A cm-2，稳定运行200 h以上，与纯水分解相比节能效率高达9.7%，对HCOOH和H2的效率分别为11和21.4 mmol cm-2 h-1，具有很大的实际应用潜力。

Biphasic Transition Metal Nitride Electrode Promotes Nucleophile Oxidation Reaction for Practicable Hybrid Water Electrocatalysis

章根强 教授，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过1000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat 期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。