第一作者：祝志巍
通讯作者：游波
通讯单位：华中科技大学
论文DOI: 10.1016/j.ccr.2024.216399
将当前能源生产和消费结构从过度依赖化石能源转变为高效利用可再生能源，是解决能源危机、实现碳中和的有效途径。生物质是最有前景的可再生能源之一，可以一定程度上取代化石燃料以获得有价值的有机化合物。在相对温和的条件下进行的生物质电催化转化为生产高价值化学品提供了一种绿色高效的策略。在此，我们着重讨论各类生物质衍生物电催化增值为高附加值化学品的氧化反应和还原反应的同时，重点介绍了高效异相电催化剂的纳米尺度效应与合成策略，建立电催化生物质增值技术和电催化剂的结构-性能-活性关系，特别强调通过联合实验、原位/
工况
光谱表征和理论模拟来探索潜在的结构-性能相关性。最后，对进一步开发用于生物质增值的异相电催化剂的未来挑战和机遇进行展望。
在生物质能开发利用的高需求背景下，电催化生物质衍生物凭借其清洁绿色的特点成为实现全球能源转型和防止气候变化必不可少的战略举措。这得益于以下潜在优势：（i）电催化过程可在环境条件下进行，避免了外部氢源/氧源的使用/储存；（ii）通过调节电化学条件、电化学参数以及电解质的性质，能够轻易实现对反应活性和选择性的精确控制；（iii）借助简单的原位/工况电化-光谱联用技术，能够方便地开展生物质转化的反应机理研究；（iv）通过成对电解反应器可同时生成氧化和还原产物。
此外，异相电催化剂的合成过程中，纳米尺度效应（尺寸和形貌）已被广泛研究。这些在纳米和原子水平上的合成方法确保了原子的高利用效率、活性位点的优化配置和电催化剂的特定选择性，从而显著提高了它们的电催化性能。
1. 阐述了纳米尺度效应与生物质衍生物分类，包括纳米结构和电子结构变化对材料反应活性的影响，以及生物质主要成分（纤维素、半纤维素、木质素）和常见衍生物（乙醇、甘油等）的特性与转化过程，为后续研究提供理论基础。
2. 详细介绍不同尺度的电催化剂合成方法和最新进展，包括其结构特点和制备过程，涵盖3D多孔电催化剂、2D纳米片电催化剂、1D纳米线电催化剂、0D纳米颗粒电催化剂和单原子电催化剂。
3. 探讨多尺度异相电催化剂在上述生物质衍生物中的电催化氧化和还原反应过程，在氧化升级中，分析一元醇（乙醇）、多元醇（乙二醇、甘油、葡萄糖）、呋喃类化合物（HMF、糠醛）、生物聚合物（木质素、甲壳素）等在不同电催化剂作用下的氧化反应及产物；在还原升级中，阐述呋喃类化合物（HMF、糠醛）、含氧芳烃（愈创木酚、苯酚）、羧酸（乙酰丙酸、草酸、芳香醛）等的还原反应及生成的高价值化学品。
1. 尽管已开发水热、电沉积等合成策略制备异相电催化剂，但用于大规模合成时，因传质传热、操作性与成本变化会产生新问题，故需开发绿色快速且经济的合成方法，如脉冲加热等技术。同时，电催化生物质增值时，可设计有特殊结构的电催化剂并调控其表面微环境来提高活性与选择性。
2. 深入理解电催化机理，但因多种复杂因素交织难以完整描述反应界面。原位/工况表征方法有自身局限，单一或少数表征技术无法全面呈现过程，需开发高时空分辨率与广检测范围的创新关联技术来构建高效电化学生物质增值系统。
3. DFT计算主要依赖于对分子和催化剂材料电子结构的研究，常简化实际条件且基于真空与单晶表面的计算和模型不能准确代表实际，未来可借助机器学习驱动的理论模拟预测构效关系。
4. 实际应用中，生物质衍生物浓度和电流密度因自身特性而受限，不符工业生产要求，需设计如流动池等合适装置并考虑多种因素，且需重视生物质对装置隔膜的腐蚀和堵塞问题。
游波，华中科技大学化学与化工学院教授、博士生导师。2014年在中国科学技术大学邓兆祥教授课题组获得博士学位后，分别在美国犹他州立大学Yujie
Sun、新加坡南洋理工大学Hong Li以及澳大利亚阿德莱德大学Shi Zhang Qiao院士课题组从事博士后研究工作。研究兴趣主要集中在能源小分子/生物质分子等的集成电活化研究。主持/参与自然科学基金、国家重点研发计划等项目。目前，以第一/共一或通讯作者身份在Chemical Reviews, Accounts of Chemical Research (2篇), Coordination Chemistry Reviews (2篇),
Journal of the American Chemical Society (3篇),
Angewandte Chemie (7篇), Joule, Nature Communications,
Advanced Materials (3篇)等期刊发表论文100余篇。入选2024年科睿唯安“全球高被引科学家”、2023年爱思唯尔“中国高被引学者”(化学)、斯坦福大学2020-2024年“全球前2%顶尖科学家榜单”等。担任Scientific Reports编委以及Nature Synthesis, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Joule,
Nature Communications, Angewandte Chemie, Advanced Materials等90多种国际期刊审稿人。参与英文专著《Towards Green Hydrogen
Generation》(Wiley)和“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目—电化学科学与工程技术丛书《生物电化学》撰写。
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