中科院大連化物所通過離場電催化策略實現生物質高選擇性重整轉化為甲酸和氫氣

近日，我所能源催化轉化全國重點實驗室太陽能研究部（DNL16）李燦院士團隊在生物質資源化利用研究方面取得新進展。團隊發展了一種基于雙釩氧化還原電對的“離場電催化”新策略，將秸稈、玉米芯等難溶的原始生物質在溫和條件下高效轉化為氫氣與甲酸（90%選擇性，唯一液相產物）。該技術為生物質資源的大規模、高值化利用提供了一條有工業化前景的新路徑。

利用生物質生產氫氣和化學品是實現“雙碳”目標的重要方向，目前廣泛流行的熱催化生物質重整技術需要在高溫下進行，存在結焦產物及高耗能等缺點，同時會得到難以分離提純的一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、氫氣（H2）等混合氣體。傳統電催化方法面臨反應物在電極表面傳質效率低導致性能下降，以及難以直接大規模處理固體生物質原料等問題。如何實現原始生物質的直接、高效、高選擇性轉化，一直是該領域待解的難題。

針對上述難題，研究團隊創新性地提出了“離場電催化”概念。該策略利用兩對釩基氧化還原電對作為“化學搬運工”，將發生在電極上的反應轉移至均相溶液中進行，實現了電荷轉移和化學反應在空間上的分離。其中，陽極產生的釩（V）電對可精準切斷纖維素和半纖維素中的碳-碳鍵，通過逐步氧化將其高效轉化為單一產物甲酸；陰極的釩（II）電對則高效催化質子還原產氫，法拉第效率接近100%。消耗后的電對在電化學池中再生，實現持續運行。這一策略應用于原始生物質顆粒（由纖維素、半纖維素、木質素組成）的直接轉化，其中纖維素、半纖維素重整為氫氣和甲酸，不溶的木質素被分離出來。該策略具有三大優勢：一是反應電壓低于傳統電解水，能耗成本低；二是聯產甲酸，提升過程經濟性；三是其反應與再生元空間解耦的設計，可兼容現有化工設備（例如固定床反應器、液流電池），為大規模應用提供了可行性驗證。

上述成果以“Biomass Reforming to H2 and Formic Acid via an Off-field Electrocatalysis”為題，于近日發表在《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。該工作的第一作者是我所DNL16博士研究生屈曉雷。上述工作得到國家自然科學基金、國家自然科學基金委“人工光合成”基礎科學中心項目、大連科技人才創新項目等支持。