近日，我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我所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）
