近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在电催化生物质氧化领域取得新进展。相关研究以“Electrocatalytic Biomass Oxidation via Acid-Induced In Situ Surface Reconstruction of Multivalent State Coexistence in Metal Foams”为题，于2025年1月发表在Advanced Materials上，并入选Hot Topic: Biomass Upgrading。

随着能源危机和环境问题的加剧，开发清洁、可再生的能源替代化石燃料成为迫切需求。生物质作为一种丰富、可持续的资源，具有转化为高附加值化学品的潜力。传统的热催化技术依赖高温高压和贵金属催化剂，成本高且环境不友好。电催化技术能够在温和条件下实现高效、选择性的转化，成为极具前景的替代方案。过渡金属氢氧化物（如NiOOH和CoOOH）因其优异的催化性能，成为电催化生物质转化的理想电极材料。特别是镍基催化剂在重要的生物质平台分子5-羟甲基糠醛（5-HMF）氧化为2,5-呋喃二甲酸的反应中表现出卓越的活性。然而，现有的催化剂设计仍较为复杂，且缺乏高效的原位合成方法。因此，开发简单、低成本且高效的电极制备方法，构建适用于5-HMF氧化的电催化界面具有重要意义。

本工作首先通过DFT计算，系统研究了不同价态的镍氧化物（NiO、Ni(OH)2、NiOOH）对5-HMF的吸附与催化氧化性能，发现NiOOH对5-HMF的结合能力适中，更有利于催化氧化过程。进一步，研发了一种简单高效的酸诱导表面重构方法，能够将惰性的泡沫镍转化为高活性的NiOOH/Ni(OH)2/Ni复合电极。通过DFT计算和原位拉曼光谱分析，揭示了NiOOH/Ni(OH)2/Ni电极中多价态共存对催化活性的增强作用。其中，NiOOH作为主要的活性物种，通过间接氧化途径催化5-HMF的氧化。最后，该酸诱导表面重构策略不仅适用于多种酸（如硫酸、盐酸、磷酸等），还可扩展到不同金属泡沫（如Fe、Cu、FeNi、NiMo等），显著提升了这些材料在5-HMF电催化氧化中的性能。该方法为生物质转化领域提供了一种通用且高效的催化剂设计思路。

图 酸诱导泡沫金属多价态自重构电催化技术实现生物质高效氧化升级

该研究工作得到了国家自然科学基金、校创新团队培育等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202419050