锰物种诱导高效氢氧化镍电催化剂实现2,5-呋喃二甲酸与氢气的联产

针对传统水电解制氢能耗高的问题，研究人员开发了Mn物种诱导的Ni0.5 Mn0.5 -OH电催化剂，通过加速Ni物种氧化为高活性NiOOH，显著提升5-羟甲基糠醛(HMF)氧化反应(HMFOR)效率，实现2,5-呋喃二甲酸(FDCA)与氢气的联产。该催化剂在膜电极组件(MEA)电解槽中降低20%能耗，为生物质转化与清洁能源生产提供新策略。

　　

在全球能源转型背景下，绿色氢能因其零碳排放特性成为研究热点，但传统水电解制氢受限于阳极氧析出反应(OER)的高过电位，导致能耗居高不下。与此同时，生物质平台化合物5-羟甲基糠醛(HMF)的增值转化备受关注，其氧化产物2,5-呋喃二甲酸(FDCA)可作为石油基对苯二甲酸的可持续替代品。如何通过电催化技术同步实现高效制氢与高值化学品生产，成为破解能源与环境双重挑战的关键。

针对这一科学难题，大连理工大学的研究团队在《Sustainable Chemistry for Energy Materials》发表研究，设计出锰物种诱导的氢氧化镍(Ni_0.5
Mn_0.5
-OH)电催化剂。通过水热合成结合电化学活化技术，采用原位拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和电化学阻抗谱(EIS)等多维表征手段，系统探究了Mn物种对Ni电子结构的调控机制及其对HMF氧化反应(HMFOR)的促进作用。

1. 引言
研究指出Ni基催化剂虽具有本征活性，但存在氧化动力学缓慢的瓶颈。基于"亲电晶格氧氧化机制"，团队提出通过Mn物种的3d轨道电子调控策略，促进Ni²⁺
向高活性NiOOH转化，从而提升HMFOR效率。

2. 结果与讨论
材料表征：SEM显示Ni_0.5
Mn_0.5
-OH呈现均匀纳米片结构，XRD证实其同时含有β-Ni(OH)₂
和MnOOH晶相。Mn 3s XPS证实Mn价态随比例变化（Mn²⁺
-Mn⁴⁺
），而Ni 2p谱显示Mn引入使Ni³⁺
含量提升至66%。

电化学性能：在1.5 V vs. RHE下，Ni_0.5
Mn_0.5
-OH的HMFOR电流密度达113.07 mA cm^-2
，是纯Ni(OH)₂
的1.97倍。原位拉曼证实其NiOOH生成电位比对照组低250 mV，周期性电化学测试揭示高价Ni物种被HMF自发消耗的机制。

反应机理：通过HPLC分析发现FDCA产率达90%，反应速率常数(-1.678 h^-1
)显著优于对照组。DFT计算表明Mn诱导的电子转移使NiOOH费米能级下移，增强对HMF的氧化驱动力。

3. 实际应用
组装的MEA电解槽在HMFOR模式下仅需1.67 V@100 mA，较OER模式节能20%。通过酸性结晶工艺获得4.65 g高纯FDCA，58小时稳定性测试显示性能无衰减。

结论与意义
该研究通过原子级电子结构调控，创制出Mn-Ni协同催化体系，不仅阐明"Mn诱导-Ni活化"的构效关系，更开发出FDCA联产氢气的集成工艺。这种"一石二鸟"的策略为生物质精炼与可再生能源存储提供新范式，推动混合水电解系统向工业化迈进。