"披萨结构"工程构建Ni2P@CePO4@CFC异质结电极：亲水-氧化还原协同增强促进糠醛类生物质电氧化转化

为解决生物质电催化转化中亲水性与氧化还原活性难以协同优化的难题，研究人员通过热-电化学两步法制备了"披萨状"Ni2P@CePO4@CFC异质结电极。该设计利用CePO4超亲水层（接触角≈0°）促进传质，Ni2P纳米球提供氧化还原活性中心，实现HMF电氧化制FDCA产率99%、速率264 μmol cm?2 h?1，并揭示亲水通道与氧化还原中心的协同机制，为生物质精炼提供新界面工程范式。

　　

在全球向可持续化学生产的转型浪潮中，利用生物质替代化石原料成为关键课题。其中，将生物质衍生的糠醛类化合物（如5-羟甲基糠醛HMF）电催化氧化为高值呋喃羧酸（如2,5-呋喃二甲酸FDCA）备受关注，因为FDCA是生产聚呋喃酸乙烯酯(PEF)等绿色聚合物的核心单体。尽管电化学转化具有条件温和、原子效率高等优势，但现有催化剂面临两大瓶颈：一是HMF氧化反应(HMFOR)与氧析出反应(OER)电位窗口重叠导致法拉第效率低下；二是传统催化剂界面疏水性阻碍反应物传输，造成动力学迟滞。更棘手的是，活性物种如Ni³⁺/Co⁴⁺的动态演变机制不明，使得氧化还原中心与传质通道的协同设计缺乏理论指导。

针对这些挑战，江西师范大学的研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，创新性地采用"披萨结构"工程策略，在碳纤维布(CFC)基底上构建了Ni₂P@CePO₄异质结电极。该设计受启发于前期发现的稀土磷酸盐(DyPO₄)可改善镍磷化物疏水性的现象，但改用更具成本优势的铈元素，并通过热-电化学两步生长法实现界面牢固整合。研究通过原位电化学阻抗谱(EIS)和拉曼光谱等技术，系统解析了亲水传质与氧化还原过程的耦合机制。

材料与结构表征
通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)证实，CePO₄层完全覆盖CFC形成超亲水基底（接触角≈0°），而Ni₂P纳米球均匀分散其上。X射线光电子能谱(XPS)显示Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的存在，这种独特的"披萨结构"使电极比表面积达78.5 m² g^?1，远超单一组分。

电催化性能
在1 M KOH电解液中，该电极对HMF→FDCA转化展现出264 μmol cm^?2 h^?1的创纪录速率，法拉第效率>99%，且OER起始电位提升至1.45 V vs. RHE。对比实验表明，单独Ni₂P@CFC因疏水性导致FDCA产率仅68%，而物理混合Ni₂P/CePO₄在循环测试中出现明显脱落，证实异质结整合的必要性。

机理研究
原位拉曼光谱捕捉到Ni²⁺→Ni³⁺(NiOOH)的动态转化，结合密度泛函理论(DFT)计算，揭示CePO₄通过电子转移促进NiOOH再生，使氧化还原循环速率提升3.2倍。同步辐射分析进一步表明，CePO₄的氧空位可锚定HMF的醛基，降低其吸附能达0.38 eV。

底物拓展性
该策略成功推广至糠醛(FAL)、5-甲酰基-2-呋喃甲酸(FFCA)等衍生物，产物收率均>90%。200小时连续测试后活性保持95%，凸显工业应用潜力。

这项研究突破性地将"亲水性工程"与"氧化还原中心调控"通过界面异质结构耦合，解决了传统电催化剂"传质-活性"不可兼得的矛盾。所提出的"披萨结构"设计原则不仅适用于生物质转化，也为多相催化体系中的界面工程提供了普适性范式。特别值得注意的是，选用廉价铈元素替代贵金属，使该技术具备规模化应用的经济可行性，这对推动电催化生物精炼的工业化进程具有里程碑意义。