揭示阳极产氢反应失活机制，湖南大学邹雨芹最新AM：关联铜基催化剂的价态与吸附行为用于阳极糠醛氧化产氢反应

第一作者：杨明

通讯作者：邹雨芹 教授

通讯单位：湖南大学

氢能是一种高效清洁的可热值和可再生的能源。通过电催化水分解产生H₂代替化石能源的使用可以大大降低二氧化碳的排放。然而，由于OER动力学缓慢而引起的高能耗限制了电解水制氢的大规模应用。醛基分子可以在铜基催化剂上以极低的起始电位被氧化，采用该反应代替OER 可以极大降低制氢能耗。但是，目前仍然存在两个问题：（1）铜基催化剂的固有活性较低；（2）铜基催化剂的稳定性差。因此，需要深入了解铜基催化剂上低电位醛氧化的反应机理，阐明其失活机理，基于此对于开发设计具有高活性、高稳定性的铜基催化剂。

近日，《Advanced Materials》在线发表了湖南大学邹雨芹教授的研究成果，该工作设计了一种混合价态铜（MV Cu）催化剂，依此组装的双极产氢器件在0.3 V的超低槽压工作时的产氢能耗仅为0.24 kWh m_H2^-3，并表现出良好的稳定性。除此之外，该工作基于对阳极超低电位醛氧化反应机理的探究，揭示了低电位醛氧化反应中铜基催化剂失活的根本原因，并提出了稳定铜基催化剂的设计原则。

要点一：开发了一种混合价态铜催化剂，相比于0价铜，固有活性提高显著，依此组装的双极产氢器件在0.3 V的超低槽压工作时的产氢能耗仅为0.24 kWh m_H2^-3。

要点二：结合电化学数据对比，原位同步辐射监控反应过程中价态变化，原位红外跟踪吸附行为的变化，并辅助以DFT计算相应的吸附能，揭示了铜基催化剂的失活机理。即由于铜价态在反应过程中的变化导致的糠醛催化剂吸附行为的变化。

要点三：提出了稳定铜基催化剂的设计原则：通过相应手段保持其稳定的混合价态或吸附能力。本研究为稳定的铜基材料的设计提供了指导，并说明了在工业生产中连续运行双极产氢装置的可能性。

本研究用MV Cu证明了铜基电催化剂的价态与吸附行为之间的相关性。结合价态演化和吸收行为的表征，Cu⁰的固有活性较差是由于其对糠醛和水的吸附都较弱。一价铜失活的原因是催化剂表面被(OH)ads覆盖，没有吸附位点。铜基催化剂的不稳定性是由于糠醛氧化反应中铜敏感的价态导致的铜基催化剂对糠醛吸附行为的改变。因此，具有高固有活性和稳定性的铜基电催化剂需要保持其稳定的混合价态或吸附能力。总之，本研究为稳定的铜基材料的设计提供了指导，并说明了在工业生产中连续运行双极产氢装置的可能性。

邹雨芹，湖南大学教授，岳麓学者，博士生导师，主持国家自然科学优秀青年基金、国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金青年项目、湖南省重点研发“揭榜挂帅”项目课题、湖南省自然科学优青基金、湖南省湖湘青年科技创新人才项目、湖南省自然科学基金青年项目等多项国家、省级项目。以通讯作者发表SCI论文70余篇，包括Nature Catal.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、ESI高被引论文24篇，热点论文1篇。荣获湖南省自然科学一等奖（排名第三）、湖南省化学化工学会青年化学化工奖、湖南大学优秀教师新人奖等奖励。现任Chinese Journal of Catalysis、Chinese Chemical Letters、Chinese Journal of Structural Chemistry青年编委等学术职务。

杨明，湖南大学博士研究生，研究方向为阳极电催化产氢。

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