三维自支撑Ni(OH)2 /MnOOH电极协同催化5-羟甲基糠醛高效氧化与析氢反应研究

针对高浓度5-羟甲基糠醛（HMF）氧化反应（HMFOR）与析氢反应（HER）耦合体系中催化剂设计瓶颈，研究人员开发了三维自支撑Ni(OH)2 /MnOOH电极。通过Ni-Mn协同位点与三维花状结构增强HMF吸附及活性位点可及性，该电极在100 mM HMF条件下实现95.3% FDCA选择性和97.3%法拉第效率（FE），耦合HER系统仅需1.31 V启动电压，较传统OER-HER体系降低8.4%，为绿氢与高值化学品联产提供新策略。

　　

研究背景与意义

传统水电解制氢技术受限于高能耗的氧析出反应（OER），其理论电位高达1.23 V，且副产物氧气存在安全隐患。5-羟甲基糠醛（HMF）氧化反应（HMFOR）因其仅需0.3 V的理论电位，并能生成高值化学品2,5-呋喃二甲酸（FDCA）——一种可替代石油基聚酯的关键单体，成为替代OER的理想选择。然而，现有催化剂在高浓度HMF条件下易因活性位点毒化和传质限制导致性能骤降，严重制约工业化应用。

研究方法与技术路线

研究人员通过一步水热法在泡沫镍上原位生长花状Ni(OH)₂
/MnOOH结构，利用X射线衍射（XRD）和电子显微镜表征材料形貌，通过电化学测试评估HMFOR/HER性能，并结合吸附实验和动力学分析揭示协同机制。

研究结果

Results and Discussion

1. 材料设计与表征：三维花状结构由β-Ni(OH)₂
   和γ-MnOOH纳米片组成，比表面积达218 m²
   /g，暴露出丰富的Ni-Mn协同位点。
2. HMFOR性能：在100 mM HMF电解液中，1.40 V电压下实现98.1%转化率，FDCA选择性和FE分别达96.2%和97.8%，较单一Ni(OH)₂
   催化剂提升约40%。
3. HER性能：过电位仅101 mV（100 mA/cm²
   ），与商用Pt/C相当。
4. 机理分析：Mn³⁺
   调控Ni²⁺
   电子结构，增强HMF中C=O键吸附；三维通道加速传质，缓解高浓度毒化效应。

Conclusion
该研究通过精准设计Ni-Mn协同位点与三维分级结构，突破高浓度HMF催化效率瓶颈。HMFOR-HER耦合系统仅需1.31 V启动电压，较传统电解水节能8.4%，每吨FDCA联产可减少2.1吨CO₂
排放。发表于《Journal of Alloys and Compounds》的这项工作为生物质资源高值化与绿氢生产提供了革命性解决方案。