第一作者：杜东峰
通讯作者：罗景山
通讯单位：南开大学
论文DOI：http://doi.org/10.1002/aenm.202504721
近日，南开大学罗景山教授团队在Advanced Energy Materials上发表题为“Simultaneous Glycolate and Hydrogen Generation Enabled by Unassisted Photocathode-Anode Cells”的研究论文，提出了一种无外加偏压、太阳能驱动的光电催化系统，成功实现了从废弃PET塑料中提取的乙二醇高效转化为高附加值乙醇酸钠，并同步生产清洁氢气。
利用太阳能将水分解为清洁的氢气，是实现“双碳”目标的理想路径之一。然而，传统的太阳能光电催化分解水系统阳极的析氧反应动力学缓慢，且理论电位高（1.23 V），这迫使系统需要消耗大量的额外能量（通常以外加偏压的形式）来驱动整个反应。这一“卡脖子”步骤极大地限制了太阳能制氢技术的整体能量转换效率与经济可行性。
为了突破这一瓶颈，科学家们将目光投向了“替代阳极反应”策略。其核心思想是：用一个热力学上更容易发生、且能生成高附加值化学品的氧化反应，来取代经济价值较低的析氧反应。这不仅能显著降低系统所需的电压，实现“无偏压”或“低偏压”运行，还能同步生产有价值的化学品，实现“氢能+化学品”的联产，提升整个过程的经济效益。
在众多替代反应中，乙二醇氧化反应展现出独特优势。乙二醇是废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料化学回收的主要产物之一。将其选择性电催化氧化为乙醇酸钠——一种在有机合成、制药和化妆品领域广泛应用的重要化学品——具有极高的环境与经济价值。目前，乙醇酸钠的工业生产主要依赖氯乙酸与氢氧化钠在高温下的热催化反应，该过程能耗高、步骤复杂且产生含盐废水，环境足迹大。
因此，开发一种温和、清洁、太阳能驱动的催化工艺，将废弃PET塑料衍生的乙二醇高效转化为乙醇酸钠，并同时生产氢气，被视为一条极具吸引力的绿色升级回收路径。然而，实现这一愿景面临着双重挑战：一是需要开发兼具高活性、高选择性和高稳定性的阳极催化剂；二是需要构建一个能够在不依赖外部电源的情况下，仅凭太阳能即可自主运行的高效光电化学系统。
基于此背景下，本研究报道了一种基于PdAu合金催化剂与Cu2O光阴极的无偏压光电催化系统，成功实现了乙二醇到乙醇酸钠的升级转化与氢气的同步生产，为塑料废弃物的资源化利用和太阳能驱动合成提供了创新性的解决方案。
1. 高效PdAu催化剂
采用PdAu合金催化剂，在Ni泡沫上构建三维结构，显著提升乙二醇氧化反应活性。DFT计算表明，PdAu合金的d带中心下移，优化了中间体吸附/脱附行为，有效抑制CO中毒，提高C2产物选择性。在1.0 M NaOH + 1.0 M EG电解液中，起始电位仅为0.25 V vs. RHE，法拉第效率高达95.6%。
2. 无偏压光电化学系统
将PdAu阳极与Cu2O光阴极耦合，构建双电极PEC系统，利用太阳光驱动反应。系统在零外加偏压下可实现5.6 mA cm-2的光电流密度，并稳定运行超过1小时。氢气与乙醇酸钠的法拉第效率分别接近100% 和94.8%。
3. 环境与能源双赢
替代传统高能耗、高污染的热催化合成路线，实现常温常压下的绿色合成。利用PET塑料衍生的乙二醇作为原料，兼具废弃物资源化与清洁能源生产的双重效益。
图1. 乙醇酸钠合成示意图。(a)传统工业热催化途径；(b)基于废旧PET塑料催化升级回收的无偏压光电催化路线。
图2. DFT计算和结构表征。(a) Pd、Au和PdAu的态密度（PDOS）；(b) *EG、*CO、*OH、*OCCH2OH等关键中间体的吸附构型；（c, d）*EG、*CO、*OH和*OCCH2OH在Pd、Au和PdAu表面的吸附能；(e) XRD图，(f) SEM图，(g) TEM图。
图3. Pd、Au和PdAu的电化学分析。（a）Pd、Au和PdAu的线性扫描伏安曲线；（b）不同电流密度下，EGOR 和 OER 的工作电位对比；（c）Pd、Au和PdAu的 EGOR稳定性对比；（d）不同电位下，PdAu催化剂的产氢量和法拉第效率；（e）PdAu催化剂性能对比；（f）稳定性测试后的1H和 13C 核磁共振光谱图；（g）不同电位下，PdAu催化剂的原位红外光谱图；（h）PdAu催化剂的原位差分电化学质谱图。
图4. 无偏压光电催化系统的工作原理及性能图示。（a）光电催化HER和电催化 HER、OER以及EGOR的电流-电压曲线；（b）在 0.5 M Na2SO4和 0.1 M KH2PO4缓冲溶液（pH 5）中，氧化亚铜光阴极在斩光照射下的 LSV 曲线；（c）无偏压光电催化系统的原理图；（d）在黑暗和光照条件下，两电极 PEC 系统（PEC-HER//EGOR）的 LSV 曲线；（e）无偏压PEC-HER//EGOR 系统的电流密度随时间变化曲线以及相应的产氢法拉第效率。
本工作成功构建了基于PdAu阳极与Cu2O光阴极的无偏压光电催化系统，与传统的水分解系统（HER//OER）相比，该PEC-HER//EGOR系统将电位需求降低了约1.0 V，显著提升了能量利用效率。该研究不仅为PET塑料的化学回收提供了新路径，也为太阳能驱动的高附加值化学品合成与绿氢生产提供了可行的技术原型，未来可拓展至醛类氧化、二氧化碳还原等多个光电催化体系。
标题：Simultaneous Glycolate and Hydrogen Generation Enabled by Unassisted Photocathode-Anode Cells
作者：Dongfeng Du, Yumeng Han, Peixuan Liu, Linxiao Wu, Bin Shao, Jingshan Luo*
期刊：Advanced Energy Materials
论文链接：http://doi.org/10.1002/aenm.202504721
杜东峰，南开大学博士后，主要从事光电催化水分解/二氧化碳还原/小分子催化转化等方面的研究，目前已在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater. ACS Catal.等国内外高水平期刊发表多篇学术论文，主持国家自然青年科学基金等项目。
罗景山，南开大学教授、博导，国际合作与交流处副处长，国家引进海外高层次青年人才，国家优秀青年基金获得者，天津市杰出青年基金获得者。面向世界科技前沿和国家碳达峰碳中和重大需求，长期从事光/电催化能源材料和器件研究，取得了一系列具有国际影响的创新性研究成果，在Science, Nature, Nature Energy, Nature Catalysis等期刊发表论文180余篇，总引用3万多次，h因子76(谷歌学术）。曾入选《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”，2018-2024连续7年入选科睿唯安“全球高被引科学家”，曾获天津市青年五四奖章、天津市向上向善好青年等荣誉称号。受邀担任eScience执行副主编，Chemical Physics Reviews副主编，Research编委会副主编，多个国际/国内期刊顾问编委和青年编委。
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