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近日，广东工业大学轻工化工学院邱学青/俎喜红教授团队在生物质燃料电池和制氢领域取得突破性研究成果。研究团队创新性地开发了一种基于Ag-Cu_xO/CF电催化剂的木质素衍生醛类液流燃料电池，实现了在室温下同时高效发电与产氢。该新型电池将传统制氢的耗电过程转变为发电过程，室温下电池功率密度达173.5 mW cm^-2，优于已报道生物质燃料电池的室温发电性能，同时，产氢速率达1.96 mmol cm^-2 h^-1，与生物质电解制氢的产氢速率相媲美。该成果兼具发电和产氢双重功能，具有高效节能与绿色可持续等特色。相关成果以“Electricity generation coupled with hydrogen production at room temperature by lignin-derived aldehyde flow fuel cell based on Ag-CuxO/CF electrocatalyst”为题，于2025年10月8日发表于环境和能源催化领域顶刊Applied Catalysis B: Environment and Energy。第一作者为硕士研究生谢子鑫，通讯作者为俎喜红教授和邱学青教授。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337325010379

背景介绍

全球对电力和氢能的需求日益增长，但目前主要依赖化石燃料，带来严重的环境问题。生物质资源（尤其是木质素）因其丰富、可再生且富含活性官能团，被视为理想的替代资源。传统水电解制氢能耗高，而生物质电解虽能耦合有机物氧化与产氢，但仍需外部供电，且存在法拉第效率低、副反应多等问题。将液流燃料电池与低电位有机物氧化反应相结合，是一种构建零耗电甚至耦合发电制氢的新思路。

本文亮点

（1）创新策略：开发了具有 Cu⁰/Cu⁺混合价态、高活性比表面积、适宜吸附能力的 Ag-Cu_xO/CF 阳极电催化剂，使木质素衍生醛中的醛基在低电位氧化产氢同步释放电子至电池阳极，电子通过外电路传输至阴极，与高电位阴极电解液中的Fe³⁺发生还原反应形成闭合回路，实现产氢的同时高效发电。

（2）机理解析：通过原位DEMS、原位Raman、原位FTIR等表征手段，证实了H₂来源于醛基的C-H键，而不是来源于KOH或H₂O，揭示了木质素衍生醛氧化产氢的机理是醛基在低电位（0～0.5 V_RHE）氧化过程中发生C-H键断裂，释放出电子和氢原子（^*H），两个^*H重组形成H₂。

（3）高效节能：在0.35 V_RHE的电位下，Ag-Cu_xO/CF催化氧化醛使苯甲醛的转化率达95%以上，产氢法拉第效率达～98.4%。Ag-Cu_xO/CF作为阳极电催化剂，使所构建燃料电池系统在室温下输出功率密度达173.5 mW cm^-2；在发电同步产氢时，室温下输出电流密度保持在125 mA cm^-2，产氢速率达1.96 mmol cm^-2 h^-1，在达到与木质素电解制氢相当的产氢速率前提下，实现了比木质素室温自发电高出约2倍的输出功率密度。因此，该研究成果在室温下将传统制氢的耗电过程转变为高效发电过程，为开发绿色节能的制氢技术和绿电行业发展提供了新思路。

图文解析

（1）催化剂结构形貌

图1. Ag-Cu_xO/CF电催化剂的制备与结构表征

图2. 不同铜基电催化剂的XRD/Raman/XPS表征

·         Ag-Cu_xO/CF 具有粗糙表面、均匀分布的Cu、O、Ag元素，Ag主要分布于颗粒外层。

·         XPS/XRD/Raman证实了Cu₂O的存在与Ag的成功掺杂，界面电荷重排增强了催化活性。

（2）电催化性能与反应机理

图3. 铜基电催化剂催化转化性能与反应机理

·         在0.35 V_RHE下，苯甲醛转化率达95%，产氢法拉第效率达～98%。

·         原位DEMS 证实H₂来源于醛基C–H键断裂，而非水的电解。

图4. 原位Raman和FTIR测试

·         原位Raman和原位FTIR揭示了Cu⁺/Cu²⁺价态变化与反应中间体（如geminal diols、羧酸盐）的形成。

（3）燃料电池发电与产氢性能

图5. 基于Ag-Cu_xO/CF阳极电催化剂的电池体系的发电与产氢性能

·         苯甲醛和糠醛作为燃料时，室温下输出功率密度分别达173.5 和 163.0 mW cm^-2，恒压放电时产氢速率达1.96 mmol cm^-2 h^-1，同时呈现出优异的发电性能和产氢速率。

总结与展望

·         构建了一种基于Ag-Cu_xO/CF阳极电催化剂的木质素衍生醛液流燃料电池，实现了室温下高效发电耦合产氢的双重功能，将传统产氢的耗电过程转化为产电过程。

·         系统在室温下输出功率密度高，产氢效率与生物质电解相当，且无需任何贵金属催化剂。

·         未来可进一步优化催化剂结构、拓展底物范围，并推动其工业化应用。

文献信息

Zixin Xie, Xihong Zu^*, Qianwei Lai, Yicheng Cao, Xueqing Qiu^*. Electricity generation coupled with hydrogen production at room temperature by lignin-derived aldehyde flow fuel cell based on Ag-Cu_xO/CF electrocatalyst. Applied Catalysis B: Environment and Energy 383 (2026) 126054. DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.126054.

课题组 / 通讯作者介绍

邱学青，博士，教授，加拿大工程院外籍院士、博士生导师。2007-2019年任华南理工大学副校长，2019年12月至今任广东工业大学校长。国务院特殊津贴专家，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家新世纪“百千万人才工程”，广东省科协副主席，兼任中国化工学会常务理事、广东省化工学会执行理事长、第七、八届国务院学科评议组成员。主要从事工业木质素的资源化高效利用及新型萃取工艺方法的研究，获得国家技术发明二等奖2次（均排名第一），部省级科技一、二等奖共7次，中国专利优秀奖3次，广东省专利金奖2次。获何梁何利基金“科学与技术进步奖”(2024年)，光华工程科技奖（2018年），闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖（2015年） 。

俎喜红，博士，教授，博士生导师，广州市珠江科技新星，广东省科技特派员，广东工业大学“培英育才计划”第三批培养对象，中国化工学会会员、广东省高层次人才评审专家、光电材料器件网科学家智库委员、广州市青年科技工作者协会会员。主要从事工业木质素的先进能源利用、木质素燃料电池、锂/钠离子电池负极等。主持了国家自然科学基金面上/青年项目、广东省自然科学基金、广州市科技创新人才专项（珠江科技新星专题）等20余项。目前，在Angewandte Chemie International Edition、Applied Catalysis B: Environment and Energy等国际重要期刊发表SCI论文80多篇，被Science等期刊论文引用1600多次，H-index 25，申请专利90多件，授权50余件。