本研究提出了一种高效的太阳能制氢新方法，通过将水电解与生物质来源葡萄糖的选择性氧化相结合，实现了突破性进展。该技术的核心是一种铜掺杂的钴氧羟化物催化剂，它能够引导葡萄糖沿着精细调控的α–C–C键断裂级联反应路径进行转化，在显著降低阳极电位近400mV的同时，将甲酸盐的生成率提升至最高80%。这一设计使得在无需隔膜的简单反应器中即可实现制氢，氢气生成速率超过500μmol·h-1·cm-2。通过在制氢过程中将来源于非粮食生物质纤维素的低成本糖类转化为高附加值化学品，该方法不仅提高了能效，也显著改善了经济可行性，为太阳能燃料提供了一种更可持续的发展模式。
随着全球加速迈向碳中和能源体系，太阳能驱动的水电解已成为清洁氢气生产的核心技术之一。然而，由于氧析出反应能耗高，整体运行成本依然居高不下，严重制约了其大规模应用。生物质来源的糖类为此提供了一条极具吸引力的替代反应路径，它们更易被氧化，并可同时生成高价值化学产品。但如何避免葡萄糖过度氧化，并将其定向转化为单一高价值产物（如甲酸盐），一直是该领域的基础性难题。因此，开发能够通过精心设计的反应路径，引导葡萄糖进行选择性、节能氧化的催化剂，已成为迫切需求。
2025年5月26日，中国农业大学与南洋理工大学的研究团队在期刊《eScience》上发表研究成果（DOI:10.1016/j.esci.2025.100431），报道了一种铜改性的钴氧羟化物催化剂，可在高制氢速率下将葡萄糖高选择性转化为甲酸盐。该无隔膜共电解系统由InGaP/GaAs/Ge三结光伏器件驱动，氢气生成速率超过500μmol·h-1·cm-2。研究提出了一种由催化剂引导的级联氧化机制，大幅降低了能量输入，为将太阳能制氢与可持续生物质升级相结合开辟了新路径。
研究人员首先比较了多种地壳丰度较高的金属氧羟化物，确定CoOOH是葡萄糖氧化的理想起点。随后，他们系统性地引入不同掺杂元素，发现仅添加5mol%的铜即可显著提升CoOOH的选择性与电催化效率。经铜掺杂后，甲酸盐的生成率由50%提高至80%，葡萄糖氧化的起始电位降低约400mV，使得在碱性条件下实现高度节能的共电解成为可能。
通过X射线光电子能谱、拉曼光谱、电子显微镜以及原位阻抗分析等多种先进表征手段，研究团队揭示了铜元素如何重塑催化剂表面的电子结构。铜能够稳定具有反应活性的Co3+位点，同时抑制通常会导致非选择性断键的高活性Co4+物种。密度泛函理论计算进一步表明，铜掺杂抑制了葡萄糖的侧向吸附和产生副产物的β断裂路径，转而促进醛基端向吸附，使反应沿着逐步α–C–C键断裂路径进行，从而使每一个碳原子都以甲酸盐形式释放。
当该阳极体系与地壳丰度较高的Ni4Mo阴极耦合时，在无隔膜电池中可实现近100%法拉第效率的纯氢生成。在聚光太阳照射下，装置的制氢速率达到519.5±0.4μmol·h-1·cm-2，并在连续24小时运行中保持稳定性能。
一位研究负责人指出，该成果展示了催化剂设计如何同时重塑太阳能制氢的效率与经济性。通过将葡萄糖氧化精准引导至高选择性的α断裂路径，催化剂不仅降低了电能消耗，还同步将生物质升级为高价值化工原料。这种兼具制氢与化学品生产功能的体系，标志着可再生氢技术向更集成化、更具成本竞争力方向迈出的关键一步，证明了可持续化学与清洁能源生产能够相互促进、协同发展。
总体而言，这一共电解策略通过高能效运行与甲酸盐副产品销售相结合，为绿色制氢提供了一条具备规模化潜力且具有经济竞争力的路径。经济模型显示，该方法可将平准化氢气成本降低至1.54美元/千克，与甚至低于化石燃料制氢成本。无隔膜设计还简化了系统结构，降低了资本投入，使工业化应用更具可行性。更重要的是，该催化剂在农业废弃物水解液中同样表现出优异性能，表明其与真实生物质资源高度兼容，有望在未来循环生物经济体系中支持分布式氢气生产。
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