近日，中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室太阳能研究部(DNL16)李灿院士团队在生物质资源化利用研究方面取得新进展。团队发展了一种基于双钒氧化还原电对的“离场电催化”新策略，将秸秆、玉米芯等难溶的原始生物质在温和条件下高效转化为氢气与甲酸(90%选择性，唯一液相产物)。该技术为生物质资源的大规模、高值化利用提供了一条有工业化前景的新路径。
利用生物质生产氢气和化学品是实现“双碳”目标的重要方向，目前广泛流行的热催化生物质重整技术需要在高温下进行，存在结焦产物及高耗能等缺点，同时会得到难以分离提纯的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氢气(H2)等混合气体。传统电催化方法面临反应物在电极表面传质效率低导致性能下降，以及难以直接大规模处理固体生物质原料等问题。如何实现原始生物质的直接、高效、高选择性转化，一直是该领域待解的难题。
针对上述难题，研究团队创新性地提出了“离场电催化”概念。该策略利用两对钒基氧化还原电对作为“化学搬运工”，将发生在电极上的反应转移至均相溶液中进行，实现了电荷转移和化学反应在空间上的分离。其中，阳极产生的钒(V)电对可精准切断纤维素和半纤维素中的碳-碳键，通过逐步氧化将其高效转化为单一产物甲酸；阴极的钒(II)电对则高效催化质子还原产氢，法拉第效率接近100%。消耗后的电对在电化学池中再生，实现持续运行。这一策略应用于原始生物质颗粒(由纤维素、半纤维素、木质素组成)的直接转化，其中纤维素、半纤维素重整为氢气和甲酸，不溶的木质素被分离出来。该策略具有三大优势：一是反应电压低于传统电解水，能耗成本低；二是联产甲酸，提升过程经济性；三是其反应与再生元空间解耦的设计，可兼容现有化工设备(例如固定床反应器、液流电池)，为大规模应用提供了可行性验证。
上述成果以“Biomass Reforming to H2 and Formic Acid via an Off-field Electrocatalysis”为题，于近日发表在《化学工程杂志》(Chemical Engineering Journal)上。该工作的第一作者是中国科学院大连化学物理研究所DNL16博士研究生屈晓雷。上述工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目、大连科技人才创新项目等支持。(文/图 屈晓雷)
