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2025-10-24
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【摘要】 山东大学张进涛团队在《Angewandte Chemie》发表创新研究，提出基于界面去电子驱动的宏观腐蚀电池体系，实现MOFs快速合成与高价值化学品联产，电能输出达26.1 mW cm⁻²。科学指南针为研究提供COMSOL模拟等计算支持。
山东大学张进涛教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表创新研究成果，提出基于界面去电子驱动的宏观腐蚀电池体系设计。该研究突破传统电化学合成局限，实现金属有机框架材料快速合成与高价值化学品联产。科学指南针为研究提供部分计算支持，助力COMSOL模拟等计算分析。
研究背景与电化学合成挑战
电催化与电合成技术为能源危机与环境问题提供重要解决方案，但传统反应体系面临多重挑战：
现有技术瓶颈：
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传统电化学反应体系存在产物单一、能耗高等问题
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配对电解与自供电体系面临高电耗或阳极无增值产物困境
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金属有机框架合成受限于冗长反应流程与高能耗
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腐蚀工程仅局限于无机材料合成，化学能多以热能耗散
创新方法：宏观腐蚀电池体系设计
研究团队受牺牲阳极的阴极保护法启发，提出创新的宏观腐蚀电池体系设计：
核心技术突破：
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将界面电子态调控理念融入腐蚀过程设计
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空间解耦腐蚀的界面电子转移过程
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耦合阳极金属去电子与MOFs沉积过程
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集成氢析出、氧还原等多路径电子利用网络
实验设计与机理验证
从析氢腐蚀到电偶腐蚀
研究团队系统比较了析氢腐蚀与电偶腐蚀的性能差异：
关键发现：
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电偶腐蚀电流较自腐蚀提高三个数量级
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电偶腐蚀可快速形成浓密纳米阵列，而析氢腐蚀仅形成稀疏纳米结构
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方法适用于羧酸、卟啉羧酸、苯膦酸等多种有机配体
电偶腐蚀电池性能
电偶腐蚀体系展现出卓越的综合性能：
性能指标：
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初始产率达20.3 mg cm⁻² h⁻¹，优化pH后跃升至100.3 mg cm⁻² h⁻¹
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最大功率密度达26.1 mW cm⁻²，优于多种Zn基电池
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实现化学能向电能的高效转化
体系拓展与应用验证
氧腐蚀及过氧化氢协助体系
研究进一步拓展至氧腐蚀体系：
技术进展：
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电偶腐蚀使氧腐蚀电流激增，验证促进作用
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H₂O₂辅助的电偶体系协同促进MOFs形成
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支持电解质提高溶液电导率，加速反应动力学
宏观腐蚀电池体系应用
为解决氢气储运难题，团队开发新型宏观腐蚀电池体系：
应用优势：
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耦合阳极MOFs合成与阴极电催化加氢
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实现MOFs和高值化学品同步生产
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适用于羰基化合物加氢等多种反应
技术经济分析与应用前景
技术经济分析证实该体系的显著优势：
经济指标：
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兼具盈利性与能源回收优势
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构建经济竞争力显著的双功能平台
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为可持续化学-能源耦合体系设计奠定基础
研究总结与展望
本研究提出的变革性电化学反应体系设计具有重要创新价值：
核心突破：
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巧妙利用电偶腐蚀现象促进MOFs快速生产
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实现高价值化学品合成与电能输出协同
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突破传统腐蚀工程局限，拓展至更广泛领域
应用前景：
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可拓展至各种加氢反应及更广泛领域
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为MOFs开发与高价值化学品生产架设桥梁
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展现显著的经济可行性和技术优势
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202507722
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