原创 黄玉明 Carbon Energy 2026年5月26日 07:00 浙江 听全文

Carbon Energy

研 究 背 景

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氢能的生产，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。

相比于热解、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析出反应的耦合，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。

成 果 介 绍

针对上述问题，哈尔滨工业大学周伟&宋波教授等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（COR）的动力学。在1 M KOH电解液中，所制备的PA-10碳阳极在仅1.2 V 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、高电流密度制氢潜力。研究成果以“Biomass-Coupled HER System: A Strategy for Sustainable and Low-Cost Hydrogen Production”为题发表在国际学术期刊Carbon Energy上。

研 究 亮 点

1. 发展结构可调控的生物质碳阳极辅助电解水制氢体系：以具有天然垂直通道结构的松木为碳源制备自支撑碳阳极，实现COR辅助电解水低能耗制氢。

2. 揭示层级孔道结构与边缘C−H活性位点的协同作用：层级孔道结构通过强化OH^-传输缓解界面传质限制，边缘C–H活性位点则通过形成碳自由基并促进表面活性氧中间体生成，协同提升碳氧化反应效率。

3. 实现低电位、高电流密度下的碳氧化反应：PA-10碳阳极在1 M KOH中仅需1.2 V vs. RHE即可达到100 mA cm^-2，显著优于传统RuO₂析氧催化剂。

4. 构建无膜流动式电解槽并验证经济可行性：基于松木衍生碳阳极构建HER||COR耦合制氢体系，该体系氢气平准化成本可低至3.61 USD/kg，展现出生物质资源清洁高效利用与低成本制氢潜力。

图 文 解 析

图1  碳阳极的微观形貌表征

图2  碳阳极的理化结构表征

图3  碳阳极电化学氧化活性分析

图4  碳阳极的电化学氧化机制解析

图5  理论计算分析

图6  生物质碳阳极耦合电解水制氢性能及技术经济性分析

研 究 小 结

综上所述，本文通过构建具有天然垂直通道结构和丰富边缘C–H活性位点的松木衍生碳阳极，建立了生物质碳阳极耦合电解水制氢新体系，从而有效突破了固态生物炭直接参与电解反应时面临的界面传质与电子转移限制。基于该碳阳极构建的无膜流动式电解槽实现了低能耗制氢，并表现出良好的经济可行性。本研究不仅为生物质资源清洁高效利用提供了新的电化学转化路径，也为发展低成本、低能耗、无氧析出的电解水制氢技术提供了新的理论依据和设计思路。

作者简介

宋波

宋波，哈尔滨工业大学航天学院/郑州高等研究院长聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2022）、国家自然基金委优秀青年科学基金获得者（2017）。兼任英国物理学会会士（FInstP），英国皇家化学会会士（FRSC）、中国晶体学会理事（第七届、第八届）、《人工晶体学报》编委等。主要围绕新型磁光薄膜（RIG）的制备与器件研究，低维晶体电催化与储能研究以及第三代半导体碳化硅、氮化铝晶体/薄膜的生长与光电性质研究等开展工作。在Nat. Chem.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.等国际期刊发表SCI论文超过200篇，SCI他引超过15000次。获黑龙江省自然科学一等奖2项（排1、排3）。团队建有青年科学家工作室，与美国、新加坡、西班牙、香港等国家和地区的多所高水平科研机构有合作关系。目前哈工大本部课题组主要以光电薄膜材料、器件的研究为主，哈工大郑州高等研究院课题组主要以新能源材料、器件的研究为主。

周伟

周伟，哈尔滨工业大学能源学院教授（启航学者）/博导，全球前2%科学家（2023-2025年连续入选），黑龙江省优青，聚焦热物理与氢能电化学反应耦合理论与调控方法，开展低电耗电解水制氢、脉冲/波动输入动态电解水制氢、海水/盐湖水/AEM电解制氢、碳基材料高值应用的基础研究及技术研发。

以第一/通讯作者在Nat. Commun.、PNAS、Energy Environ Sci、ACS Energy Lett、Carbon Energy、Adv. Funct. Mater.、ACS Catal.、Appl. Catal. B: Environ、Nano Energy、Nano-Micro Letters等刊物发表SCI论文78篇，被引3900余次。担任Materials Reports: Energy、Sustainable Carbon Materials、《新能源进展》《洁净煤技术》《材料导报》青年编委。获黑龙江省自然科学二等奖1项。指导学生获中国青年科技创新“揭榜挂帅”擂台赛特等奖、全国大学生可再生能源大赛特等奖等30余项竞赛获奖。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Biomass-Coupled HER System: A Strategy for Sustainable and Low-Cost Hydrogen Production

文章研究方向：

电催化— —氢析出（HER）

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70218

DOI: 10.1002/cey2.70218

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关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 24.2

5-年影响因子 23

JCR分区 Q1

CiteScore 26.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、原温州大学副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续两年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2024年影响因子为24.2，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前八，材料科学（多学科）领域460本期刊中，位列14。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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