近日，哈尔滨工业大学航天学院/郑州高等研究院先进光电技术研究院新能源半导体团队提出一种生物质碳阳极耦合电解水制氢的新策略。研究团队系统揭示了碳阳极微观结构和边缘C–H活性位点在碳氧化反应中的关键作用，为发展低能耗电解水制氢体系提供了新的理论依据与技术路径。研究成果以《生物质耦合析氢体系：一种可持续、低成本的制氢策略》（Biomass-Coupled HER System: A Strategy for Sustainable and Low-Cost Hydrogen Production）为题发表于能源领域国际知名期刊《碳能源》（Carbon Energy），以下为该论文详细情况：
图1 图文摘要
生物质作为地球上储量最丰富的可再生碳资源之一，具有来源广泛、环境友好和可持续性强等优势。将生物质转化为氢气不仅有助于清洁能源的生产，还能促进农业废弃物、林业残余物和城市有机物的资源化利用，从而缓解资源枯竭、环境恶化和能源需求三重压力。相较于热解、气化等传统生物质制氢路线，电化学路径可在温和条件下实现生物质转化与氢气生产耦合，具有设备简单、反应条件温和和产氢纯度高等优点。现有研究多聚焦于可溶性生物质小分子的电氧化反应，但这类原料制备复杂、供应规模有限，难以满足大规模氢气生产需求。相比之下，生物炭具有成本低、产量大、来源稳定等优势。然而，生物炭直接参与电解反应通常受限于固–固界面的电子与物质传递效率，反应动力学缓慢，难以实现高效制氢。
针对上述问题，研究团队以天然具有垂直通道结构的松木为碳源，通过一步碳化策略制备出具有层级孔道结构和丰富边缘C–H活性位点的自支撑碳阳极，并构建了碳阳极辅助电解水制氢体系。研究发现，层级孔道结构可显著加快OH⁻在碳阳极内部及界面的传输过程，而边缘C–H活性位点则有利于诱导碳自由基形成，进一步触发活性氧中间体的生成与稳定吸附，从而有效促进碳氧化反应动力学。在1 M KOH电解液中，所制备的PA-10碳阳极在仅1.2V vs. RHE下即可实现100 mA cm⁻2的电流密度，显著优于传统RuO2析氧催化剂，展现出优异的低电势、高电流制氢潜力。
在此基础上，研究团队进一步构建了无膜流动式电解槽，实现了HER||COR耦合制氢体系的系统验证。该装置在50°C下展现出优异的制氢性能，在0.23 V的低槽压下即可达到10 mA cm⁻2的电流密度。技术经济分析表明，在综合考虑设备投入与运行成本后，该体系的氢气平准化成本（LCOH）可低至3.61 USD/kg，优于热解、气化等传统生物质制氢及常规电解水制氢路线，展现出良好的经济可行性和工程应用前景。
图2 （A）碳阳极-无膜流动电解槽（CA-MFFE）装置示意图。（B）CA-MFFE在不同温度下的极化曲线。（C）50℃下CA-MFFE和AEM产氢性能对比。（D）CA-MFFE装置的电压-时间曲线。（E）AEM和CA-MFFE产氢系统的资本成本、运行成本和LCOH。（F）AEM和CA-MFFE产氢系统运行成本对比。（G）资本成本、碳阳极堆成本和电价变化20%对CA-MFFE制氢系统LCOH的影响。（H）不同制氢技术的成本对比。
哈尔滨工业大学为论文第一完成单位和通讯单位，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院周伟教授、航天学院/郑州高等研究院宋波教授为论文共同通讯作者，郑州高等研究院博士后副研究员黄玉明为论文第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金以及哈尔滨工业大学郑州高等研究院院设项目的支持。
论文链接：
http://doi.org/10.1002/cey2.70218
信息来源：新能源半导体团队
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