在催化過程中，催化劑表面往往會被含氧物質所覆蓋導致失活。通過碳包裹合金結構的方式，可以有效防止合金浸出和聚集等現(xiàn)象，從而顯著提升其穩(wěn)定性。通常選擇活性碳、碳氣凝膠、碳黑、碳纖維以及MOFs衍生碳材料等作為載體。其中，MOFs衍生碳材料以其豐富的活性位點和理想比表面積等顯著優(yōu)勢脫穎而出，然而，其在反應后可能出現(xiàn)的活性金屬聚集或浸出、成本較高以及材料種類相對單一等問題。
木質素是自然界中富含芳香結構、高碳含量（＞60 wt.%）的可再生碳源，作為功能化碳基催化劑載體具有巨大潛力，然而其原有的高聚集態(tài)結構限制了基團的暴露與活化。前期工作通過羧化（AIChE Journal, 2022；AIChE Journal, 2024; Angew. Chem. Int. Ed. 2023）、胺化（ACS Catal. 2022；Chem. Eng. J.,2024）、磷化（Ind. Eng. Chem. Res., 2023）等對木質素進行結構修飾調控構筑了系列木質素衍生碳基催化劑，并應用于OER/HER/ORR電催化和生物質催化轉化等領域。木質素通過部分開環(huán)氧化氨解改性，引入適量酰胺基作為配位基團，提高與金屬的配位，從而自助裝形成木質素-金屬超分子框架復合物（Lignin-Metal Supramolecular Framework, MSF@Lignin）。MSF@Lignin復合物結構對其熱解過程和對應催化劑結構及其構效關系等的影響規(guī)律仍不清晰。
圖2 木質素分子量對所形成催化劑形貌的影響
圖4.催化劑穩(wěn)定性測試后的結構變化
圖5.不同催化劑原位Raman表征和DFT理論計算
本文研究了由不同分子量木質素前驅體形成 CoRu@OALC 催化劑的電催化性能和結構演變過程。由低分子量木質素衍生的 CoRu@OALC-EtOAC 形成了富含缺陷的類石墨狀碳層，有利于活性位點的暴露并增強了催化活性。然而，長期的高電流密度測試顯示明顯的結構重構現(xiàn)象，包括金屬浸出和碳層重構。由高分子量木質素形成的 CoRu@OALC-Residual 則形成了無定形碳結構，表現(xiàn)出卓越的結構穩(wěn)定性。原位Raman和 DFT 計算進一步闡明，富含缺陷的碳層（如 CoRu@OALC-EtOAC 中的碳層）會促進活性中間體的吸附，加速結構重構。而 CoRu@OALC-Residual能保持結構穩(wěn)定，在長期運行條件下保持催化劑的完整性。
該研究以“Molecular Weight Engineering Modulates Lignin-Metal Supramolecular Framework to Construct Carbon-Coated CoRu Alloy for Effective Overall Water Splitting”為題發(fā)表于Advanced Materials。2024級博士研究生陳達朗為第一作者，廣東工業(yè)大學邱學青教授和林緒亮教授為通訊作者，秦延林教授在理論計算方面提供了重要指導。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202501113
通訊作者簡介
邱學青教授，博士生導師，加拿大工程院外籍院士。現(xiàn)任廣東工業(yè)大學校長。 國務院特殊津貼專家，國家杰出青年科學基金獲得者。兼任廣東省科協(xié)副主席，全球華人化工學者學會會士，中國化工學會常務理事，廣東省化工學會執(zhí)行理事長，第七、八屆國務院學科評議組（化學工程與技術學科組）成員，《Carbon Research》《高校化學工程學報》等期刊副主編。
主要從事工業(yè)木質素的資源化高效利用及新型萃取工藝方法的研究，獲得國家技術發(fā)明二等獎2次（均排名第一），部省級科技一、二等獎8次，中國專利優(yōu)秀獎4次，廣東省專利金獎2次。獲國家教學成果一等獎1次、二等獎2次。獲 “何梁何利基金科學與技術進步獎”“光華工程科技獎”、“閔恩澤能源化工獎杰出貢獻獎”等。
林緒亮，教授，博士生導師，青年珠江學者。聚焦生物質資源高值化利用研究，主要從事工業(yè)木質素的功能改性及在化工、環(huán)境與能源領域的應用。以第一或通訊作者在AIChE Journal、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等期刊發(fā)表論文50余篇，Google引用h指數(shù)33，授權發(fā)明專利30余件。主持國家自然科學基金面上項目、重點項目（參與單位負責人）和青年基金項目、廣州市科技菁英“領航”項目等項目。入選2024 年斯坦福大學全球前2%頂尖科學家榜單等，作為核心骨干榮獲廣東省技術發(fā)明一等獎。擔任Advanced Powder Materials、Rare Metal 、Renewables等期刊青年編委。兼任廣州市科學技術協(xié)會委員會委員、廣州市青年科技工作者協(xié)會監(jiān)事長。
