基于Ag-Cu?O/CF电催化剂的木质素衍生醛类流动燃料电池，在室温下实现发电与氢气生产的同时进行

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Electricity generation coupled with hydrogen production at room temperature by lignin-derived aldehyde flow fuel cell based on Ag-Cu xO/CF electrocatalyst

氢能生产；木质素电催化氧化；双功能催化剂；流燃料电池；法拉第效率；室温高功率密度；能源自给；低碳氢生产；协同反应机制

　　本文探讨了一种创新性的方法，将一种基于银-铜氧化物/铜泡沫（Ag-Cu?O/CF）电催化剂的常温、高功率木质素衍生醛类流体燃料电池（FFC）与氢气生产相结合。这一方法通过将传统的耗电型电催化制氢过程转变为发电过程，实现了绿色氢气的高效生产与生物质的高附加值利用。研究指出，该系统在常温下能够达到较高的功率密度和氢气生成速率，同时显著降低了能耗，为解决全球能源危机提供了新的思路。

木质素是工业生产中的副产物，全球每年的产量超过5000万吨，但目前其高附加值利用率仍然较低。木质素具有丰富的官能团和较高的热值，使其成为一种具有潜力的资源。近年来，研究者们发现，木质素可以作为流体燃料电池的燃料，通过氧化反应产生电能，同时在阴极进行氢气生成反应，实现能源的高效转化。然而，现有的木质素燃料电池在常温下运行时，功率密度较低，而高温运行则需要额外的加热能量，这在一定程度上限制了其实际应用。

为了解决上述问题，本文开发了一种新型的流体燃料电池，其电催化剂为Ag-Cu?O/CF，能够有效催化木质素衍生醛类的氧化反应，并在阴极同时进行Fe3?的还原反应，从而实现电能和氢气的联合生产。这种电催化剂通过电化学沉积方法制备，其表面结构和化学性质被优化，以提高电催化性能。研究结果表明，Ag-Cu?O/CF电催化剂在0.35 V RHE（相对于可逆氢电极）下能够实现约95%的苯甲醛转化率和约98.4%的法拉第效率，同时在常温下达到173.5 mW cm?2的功率密度和1.96 mmol cm?2 h?1的氢气生成速率。这一性能远超现有木质素燃料电池的水平，同时保持与传统生物质电解制氢过程相当的氢气生成效率。

研究还表明，该电催化剂的高效性能主要归因于其独特的铜价态（Cu?/Cu?）组合、较大的双电层电容（Cdl）、较低的界面电阻以及优化的吸附能力。这些特性使得电催化剂能够更有效地促进电子转移和反应物转化，从而提高整体的能量转化效率。此外，通过原位差示电化学质谱（in-situ differential electrochemical mass spectrometry）技术，研究者们深入探讨了芳香醛氧化反应的电催化机制，并验证了氢原子的来源。这些研究为开发更高效的电催化剂提供了重要的理论依据和实验支持。

该研究的创新性在于，通过将电催化制氢过程与燃料电池发电过程相结合，实现了能源的双重利用。传统的电催化制氢过程需要外部电源提供能量，而本文开发的系统能够在不依赖外部电源的情况下，通过醛类的氧化反应产生电能，同时在阴极生成氢气。这一过程不仅减少了能源消耗，还提高了系统的整体效率，使得绿色氢气的生产更具经济性和可持续性。

在实验方法上，研究者们首先合成并表征了多种铜基电催化剂，以明确其结构和电催化活性。通过电化学方法，铜颗粒被负载在铜泡沫（CF）基底上，以增加电极材料的反应面积。随后，通过原位差示电化学质谱技术，研究者们进一步验证了醛类氧化反应的机制，并确定了氢气的生成路径。最终，研究者们构建了一种以Fe3?/Fe2?为阴极电子载体的流体燃料电池，以实现电能和氢气的高效联合生产。

此外，研究还指出，该系统能够显著降低绿色氢气生产的成本，同时减少对化石燃料的依赖，从而缓解全球能源危机。通过对比现有技术，研究者们发现，该系统的功率密度是现有木质素燃料电池的三倍，而氢气生成速率与传统生物质电解制氢过程相当。这表明，该系统在常温下具有较高的实用价值，能够满足工业应用的需求。

研究团队在本文中详细描述了实验材料和化学品的来源，包括苯甲醛、苯甲酸、4-羟基苯甲醛、香草醛、糠醛、重水（D?O）以及FeCl?·6H?O等。这些材料被用于构建流体燃料电池，并通过电化学方法进行表征和测试。研究还探讨了电催化剂的物理和化学性质，包括其表面结构、电化学活性以及在反应中的行为。这些分析为理解电催化剂的性能提供了重要的基础。

在结论部分，研究团队总结了该研究的主要成果，即成功开发了一种常温、高功率的流体燃料电池，该系统能够实现电能和氢气的联合生产。这一成果不仅为绿色氢气的生产提供了新的方法，还为生物质的高附加值利用提供了可行的路径。同时，该系统在常温下运行，避免了高温带来的额外能量消耗，提高了整体的能源效率。

本文的研究成果对于推动可持续能源技术的发展具有重要意义。通过将生物质的高附加值利用与电能和氢气的生产相结合，研究者们不仅提高了资源的利用率，还降低了生产成本，使得绿色能源的生产更加经济和环保。此外，该研究还为开发更高效的电催化剂提供了新的思路，为未来的能源技术研究奠定了基础。

在作者贡献方面，Zixin Xie主要负责撰写原始草稿、可视化、方法论、实验研究、数据分析、数据管理以及概念设计。Xihong Zu则负责撰写和审阅、资源获取、资金申请、数据分析和概念设计。Xueqing Qiu负责撰写和审阅、资源获取和资金申请。Qianwei Lai和Yicheng Cao均参与了实验研究和数据分析。这些分工体现了研究团队在多学科交叉研究中的合作精神和专业能力。

研究团队还声明了潜在的利益冲突。Xihong Zu持有与本研究相关的专利，编号为202411210668.9，该专利归属于广东工业大学。其他作者则声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本研究的报告。这一声明确保了研究的透明性和客观性，提高了研究的可信度。

最后，研究团队感谢了广东工业大学的分析与测试中心，为本研究提供了拉曼光谱和扫描电子显微镜（SEM）等实验分析支持。同时，研究团队还声明了数据的可用性，表示数据将在请求时提供。这些信息为其他研究者提供了进一步研究的参考，并促进了科学成果的共享与传播。

综上所述，本文通过开发一种新型的流体燃料电池，实现了电能和氢气的联合生产，为绿色氢气的生产提供了新的解决方案。该系统的高效性能和环保特性，使其在未来的能源技术发展中具有广阔的应用前景。同时，该研究也为生物质的高附加值利用提供了新的思路，推动了可持续能源技术的发展。