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近日，西湖大学理学院人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成教授团队在电催化生物质加氢领域取得重要突破，相关工作以“Efficient Electrocatalytic Hydrogenation of Furfural through Synergistic Catalysis at Mo–O–Cu Atomic Interface”为题，发表在Journal of the American Chemical Society。
团队通过精准设计原子级Mo–O–Cu异质界面电催化剂，发现其具有独特的协同加氢机制可以实现高效的糠醛加氢制备糠醇，并基于阴离子交换膜流动电解池实现了糠醛加氢的放大制备，推进了绿色、可持续电催化生物质加氢技术的发展。
西湖大学理学院助理研究员曹兴、博士生丁国恒和助理研究员丁云轩为文章共同第一作者，西湖大学讲席教授孙立成为文章通讯作者。
论文地址：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22963
电催化加氢：开启生物质绿金之路
在碳中和目标引领下，生物质资源的高效转化成为全球科研焦点。将生物质衍生物（如糠醛、5-羟甲基糠醛HMF）催化加氢，高效转化为糠醇等化学品，可替代石油基原料生产树脂、溶剂和药物中间体，推动生物质资源高值化利用，被视作“绿色黄金”赛道。传统热催化法需高温高压氢气，成本高、安全风险大；而电催化加氢在常温常压下以水为氢源、绿电为驱动力，大幅降低过程能耗与碳排放。
挑战：碱性环境中的活性氢调控困局
电催化糠醛加氢的瓶颈在于碱性条件（阴离子交换膜电解槽）下，水分子解离（Volmer步骤：H2O → H* + OH⁻）受阻，导致活性氢（H*）覆盖度不足。低H*覆盖度使得反应倾向直接电还原路径，形成副产物氢化糠偶姻（Hydrofuroin），显著降低产物选择性。此前，异质结构催化剂（如金属/金属氧化物）虽可促进水解离产生活性氢，但界面肖特基势垒限制了H*的溢流和迁移，且氧化物表面难以吸附活化糠醛，导致电流密度受限。
图1.(a) 不同条件下糠醛氢化机理示意图；(b-d) 不同金属-金属氧化物异质结构催化剂上的糠醛氢化机理示意图
创新：原子级Mo–O–Cu界面的协同催化机制
研究团队通过电化学重构法，在铜载体上构建了原子级分散的Mo1O4团簇，形成独特的Mo–O–Cu界面结构。通过调节电还原电解液pH值（pH 8.2–14），不仅能控制Mo负载量，还可以分别制备高密度界面（局部聚集，hd-Mo1O4/Cu），低密度界面（孤立Mo原子，ld-Mo1O4/Cu）以及纯铜催化剂。
图2. (a) 基于电化学重构具有原子尺度异质界面的Mo1O4/Cu系列催化剂合成示意图；(b,c) ld-Mo1O4/Cu和hd-Mo1O4/Cu的AC-HAADF-STEM图像；(d) 沿图1b中1-2线及图1c中3-4线的强度分布曲线。(e,f) hd-Mo1O4/Cu、ld-Mo1O4/Cu、MoO2和MoO3的XANES谱及k4加权傅里叶变换Mo L3边EXAFS谱；(g) CuMo前驱体、CuOₓ-CuMoOₓ、hd-Mo1O4/Cu、ld-Mo1O4/Cu和Cu的拉曼光谱
在阴离子交换膜（AEM）流动电解槽中，ld- Mo1O4/Cu展现出卓越性能。在300 mA cm-2下仅需2.14 V槽压，糠醇选择性94%，FE 97%，产率54.4 mol m-2 h⁻¹（0.5 M FF）。11小时恒电流测试（100 mA cm-2）后，催化剂表面Mo保持稳定，糠醇选择性 >99%。在25 cm2电解槽中以2.5 A电流运行5小时，成功转化1 L（0.1 M）糠醛溶液（转化率99%），经萃取蒸馏后获得纯度为99%的糠醇8.34 g，证实技术路线的可放大性。
图3. (a) 用于糠醛加氢的电解池结构示意图；(b) 在电解池中测试的Cu、ld-Mo1O4/Cu和hd-Mo1O4/Cu在含/不含0.1 M糠醛的1 M KHCO3中的LSV曲线；(c) 基于LSV数据绘制的不同电流密度下所需槽压的性能对比图；(d,e) (d) Cu和(e) ld-Mo1O4/Cu在不同电流密度与糠醛浓度下的糠醇法拉第效率、选择性与产率性能； (f) 不同电流密度下糠醇或5‑羟甲基糠醛法拉第效率的性能对比图。(g) 在100 mA·cm-2电流密度下稳定性测试过程中槽压与糠醇选择性随时间的变化。(h) 在25 cm2电解池中以2.5 A电流进行稳定性测试过程中，槽压、糠醛转化率与糠醇选择性随时间的变化曲线。(i) 纯化后糠醇产物的气相色谱谱图与1H NMR谱图，插图为糠醇产物照片
通过实验与理论研究揭示了具有原子级界面的ld-Mo1O4/Cu的催化机制与纯Cu催化剂存在本质差异。在Mo–O–Cu界面处，活性氢以较低能垒高效生成，并通过适度能垒溢流至相邻Cu表面。这种机制将糠醛加氢解耦为两个步骤：第一步利用溢流氢在Cu表面以较低能垒完成加氢，第二步则在Mo–O位点以相对更低的能垒发生反应。Cu–H*与MoO–H*的协同加氢改变了加氢顺序，显著降低了速率控制步骤(RDS)的活化能，避免了偶联中间体的产生。该机制是提升碱性微观环境中糠醛加氢选择性的关键所在。
此外低密度界面（ld-Mo1O4/Cu）在保持适中H*覆盖度的同时，最大化暴露铜活性位点，实现H*高效利用。相比之下，高密度界面因Mo1O4聚集改变了H*吸附（ΔGH*接近0 eV），导致副反应氢析出（HER）比例增加。研究表明，界面密度可调控H*吸附能，适中的吸附能与H*覆盖度是获得最高氢化法拉第效率的关键。
图4. (a) Cu和 Mo1O4/Cu上HER反应Volmer步骤的自由能图；(b) Cu、Mo1O4/Cu、(Mo1O4)2/Cu和(Mo1O4)3/Cu上HER反应的吉布斯自由能图；(c,d) Mo1O4/Cu上HAT过程的(c)能量变化曲线与(d)相应的表面构型；(e) Cu和Mo1O4/Cu上糠醛氢化的自由能图；(f) Mo1O4/Cu（左）与Cu（右）TS1和TS2态的结构
总结与展望
该研究通过电化学还原重构法，可控地构建了密度可调的Mo–O–Cu原子界面。该界面促进了水解离并提升了H*覆盖度，其特有的界面氢物种通过协同加氢机制，高效、高选择性地实现了糠醛到糠醇的转化。该研究阐明了原子界面在电催化氢化中的机理，为理性设计生物质加氢催化剂提供了指导。所开发的高效、稳定、可放大的电合成工艺，为生物基化学品的绿色制造奠定基础。
致谢
相关研究工作得到了国家重点研发计划、浙江省重点研发计划和国家自然科学基金的资助。作者感谢西湖大学未来产业研究中心（RCIF）对本工作的支持。感谢西湖大学物质科学公共实验平台（ISCPS）和分子科学公共实验平台（ISCMS）的设施支持与技术协助。感谢西湖大学高性能计算中心提供的计算支持。感谢上海光源BL11B线站提供的XAFS实验机时。感谢唐堂研究员、刘起良和叶文涛在本工作中富有成效的讨论和帮助。
论文信息
Efficient Electrocatalytic Hydrogenation of Furfural through Synergistic Catalysis at Mo−O−Cu Atomic Interface. J. Am. Chem. Soc., 2026.
https://doi.org/10.1021/jacs.5c22963.
西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心
CAP for Solar Fuels @ Westlake
西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心为西湖大学校级研究中心，成立于2020年3月，由中国科学院院士、人工光合作用领域专家、西湖大学理学院化学讲席教授孙立成博士组建，围绕阴离子交换膜电解水制氢技术及其拓展领域（AEM-WE and Beyond）展开科研工作，研究方向包括高效分解水制氢催化剂的设计以及关键器件的集成和应用、光/电驱动CO2还原制备清洁燃料、利用水作为氧源和氢源光/电驱动有机底物氧化与还原制备精细化学品、新型太阳能电池与相关催化剂/电极的耦合关键技术研发、新型捕光半导体材料及光阳极/光阴极的开发、天然光合作用释氧酶水氧化机理揭示、材料智能设计等，力求从分子、材料等多个尺度上优化催化剂性能、理解复杂的固-液、固-气和气-液界面现象、调控电荷分离与传输、设计开发新型材料和催化体系，实现高效太阳能转化和可再生绿色燃料及高端化学品的清洁制备。
中心官网：
https://cap.westlake.edu.cn/
