清华大学段昊泓副教授Sci China Mater综述 | 非贵金属基催化剂用于生物质电氧化高值化利用的研究进展

文章简介

生物质是一种可再生的碳中性资源，且具有储量丰富、廉价易得等优势。生物质资源的高效利用对实现双碳目标、推动可持续发展具有重要意义。氧化反应是生物质高值化的主要方式之一。与传统的生物质氧化相比，电催化生物质氧化在常温常压下即可进行，避免了高温高压的反应条件，且不需要添加氧气等氧化剂，具有显著优势。此外，阳极生物质氧化反应还可以替代析氧反应，与阴极析氢反应耦合，降低产氢能耗。近年来，开发高效的非贵金属催化剂用于电催化生物质氧化反应引起了广泛关注，但是仍然缺少相关综述。有鉴于此，清华大学段昊泓副教授课题组对非贵金属催化剂用于电催化生物质氧化高值化方面的研究进展进行了总结。

图文要点

首先，按照底物分子的类型，对目前报道的电催化生物质氧化反应进行了分类。总结了各种生物质及其衍生物的来源及其氧化产物的应用，介绍了电化学氧化对比传统生物质氧化方法的优势。随后重点介绍了具有代表性的非贵金属电催化剂，并总结了相关的生物质衍生物氧化反应路径。

按照生物质氧化脱氢过程中氢物种受体的种类对生物质氧化机理进行了分类，包括高价金属物种、亲电的OH*、H*作为氢物种的受体。随后，结合生物质电氧化反应机理，讨论了非贵金属基催化剂的构效关系以及催化剂设计思路，包括形貌调控、杂原子掺杂、缺陷工程、异质结构、单原子修饰。

最后，对该领域面临的挑战和未来发展前景进行了总结。尽管近年来非贵金属催化剂用于电催化生物质氧化反应受到越来越多的关注，催化剂真实活性位点的指认和反应机理的研究仍面临挑战。此外，扩展生物质氧化反应路径，开发高效酸性生物质氧化催化剂，开发高效的生物质氧化耦合产氢、二氧化碳还原、氮还原、生物质加氢电解装置对推动生物质电氧化反应的实际应用至关重要。

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Ruixiang Ge, Jing Li, Haohong Duan. Recent advances in non-noble electrocatalysts for oxidative valorization of biomass derivatives

Sci. China Mater., 2022, DOI: 10.1007/s40843-022-2076-y