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木質素碳基催化劑綠色制氫研究獲重要進展

文章來源：新能源網更新時間：2025-12-05 11:17:57

廣東工業大學教授邱學青團隊在木質素碳基催化劑應用領域取得關鍵進展，創新性地提出了一種利用木質素定向構筑垂直Ru/RuO₂“電子橋”界面的新型碳基電催化劑設計策略。相關成果近日發表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。

木質素碳基Ru催化劑高效電催化制氫示意圖。研究團隊供圖

論文共同通訊作者、廣東工業大學教授林緒亮介紹，該研究團隊通過水熱活化木質素，使其與Ru³⁺原位配位，再經高溫碳化處理，成功還原構筑了嵌入木質素衍生分級多孔碳骨架的Ru/RuO₂異質納米界面。這一創新設計實現了低輸入、可自驅動的聯氨-水分解制氫過程。

木質素作為自然界中儲量最為豐富的芳香族高分子，其獨特的三維交聯網絡結構以及高含碳量（＞60%），使其具備成為高性能碳基電催化材料前驅體的巨大潛力。然而，工業木質素在實際應用中面臨諸多挑戰。分子間的強π-π堆積作用導致其致密聚集，活性位點被掩蔽；寬分子量分布使得表面化學基團呈現出空間異質性。

此外，受過渡金屬配位動力學特性與絡合能級匹配性的限制，難以穩定構筑金屬-有機框架配位物結構，進而導致衍生材料存在活性位點密度低、電子傳輸網絡不連續、傳質動力學遲滯等問題，嚴重制約了其在電催化體系中的應用。如何通過分子結構調控與界面工程策略突破這些局限，成為該領域亟待攻克的關鍵科學難題。

論文第一作者、廣東工業大學2023級博士研究生劉江淋指出，針對上述問題，研究團隊前期開展了一系列相關工作。通過羧甲基化、胺化以及氧化氨解改性等手段對木質素微結構進行調控，賦予木質素均勻分布且適宜密度的表面官能團，使其能夠與金屬離子精準配位，從而構筑穩定的木質素-金屬超分子框架復合物。

該研究中，團隊創新性地提出了木質素定向引導構筑Ru/RuO₂垂直電子橋界面的策略。通過界面電子橋工程對界面電荷分布進行調控，構建出具有協同效應的動態雙活性中心，從根本上提升了Ru基催化劑的結構穩定性與電催化性能，成功實現了高效、低能耗的自供電制氫體系。實驗結果表明，在僅0.14V電池電壓下，該體系即可達到100mA cm^-2的電流密度，并能以近100%的法拉第效率穩定產生氫氣。

該研究成果為“以廢制氫”提供了可規模化實現的新途徑，同時也充分彰顯了木質素生物質在構筑高性能界面電催化劑方面的巨大潛力，有望推動綠色制氫技術的進一步發展。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c15759

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