氫氣既是能源載體又是工業(yè)氣體。氫氣根據(jù)其制備過(guò)程的排放情況，分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫，分別表示化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫。當(dāng)前，電解水制氫技術(shù)是重要的綠氫制備方法，但因陽(yáng)極析氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程緩慢、過(guò)電位高等問(wèn)題，使得整體能量轉(zhuǎn)換效率偏低，制氫成本較高。這一技術(shù)瓶頸制約了綠氫的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此，亟需開(kāi)發(fā)新型高效催化劑、優(yōu)化反應(yīng)體系或探索替代性制氫技術(shù)。

　　中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所科研團(tuán)隊(duì)致力于電解制氫催化劑的研究。面向電解制氫陽(yáng)極析氧反應(yīng)能壘高、動(dòng)力學(xué)緩慢和陽(yáng)極產(chǎn)物價(jià)值低的難題，該研究采用甘油電氧化反應(yīng)替代析氧反應(yīng)，降低電解制氫的能耗同時(shí)能夠獲得高附加值化學(xué)品。針對(duì)甘油氧化反應(yīng)路徑多、產(chǎn)物復(fù)雜且選擇性低等挑戰(zhàn)，研究基于理性材料設(shè)計(jì)發(fā)展了高熵催化劑（PtCuCoNiMn）。該催化劑可實(shí)現(xiàn)在0.2 A cm-2下高選擇性制備甘油酸。研究還搭建了一套小型電解槽，通過(guò)間歇電解實(shí)現(xiàn)了0.2 A高電流密度下催化劑的穩(wěn)定運(yùn)行。原位譜學(xué)表征發(fā)現(xiàn)，Pt為催化位點(diǎn)，其甘油氧化為甘油酸的反應(yīng)路徑是端羥基的活化與H解離→中間體甘油醛的生成→甘油醛至甘油酸的電氧化轉(zhuǎn)化。密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，甘油醛脫水反應(yīng)的難易程度是決定是否產(chǎn)生乳酸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Cu的引入在熱力學(xué)上抑制了副產(chǎn)物乳酸的生成，在動(dòng)力學(xué)上促進(jìn)了目標(biāo)產(chǎn)物甘油酸的生成，而Co、Ni、Mn可調(diào)節(jié)催化表面氧化態(tài)以保護(hù)Pt活性位點(diǎn)。

　　該研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)構(gòu)建高熵表面來(lái)定制催化劑/電解質(zhì)界面的催化位點(diǎn)是電化學(xué)催化的有效策略之一。

　　相關(guān)研究成果以Nanoscale high-entropy surface engineering promotes selective glycerol electrooxidation to glycerate at high current density為題，發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金以及浙江省和寧波市相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

甘油電氧化性能與反應(yīng)路徑