综述：迈向可持续的化学生产：研发基于镍泡沫的电催化剂，以实现高效且选择性的乙二醇氧化反应

《Coordination Chemistry Reviews》：Toward sustainable chemical production: Engineering nickel foam-based electrocatalysts for highly efficient and selective ethylene glycol oxidation

本文综述了镍泡沫基催化剂在电催化氧化乙二醇（EGOR）中的应用，探讨其结构设计、表面修饰及过渡金属引入对提升反应活性和选择性中的作用，为塑料回收和氢能生产提供可持续解决方案。

　　

易马|环歌|李黎明|朱永发|李俊山

中国成都大学高等研究院，成都610106

摘要

小分子的电催化反应能够在温和条件下实现能量的提取或转化为有价值的化学品。其中，乙二醇（EG）是一种在精细化工制造中广泛使用的化合物，也可以从生物质或塑料废弃物等可再生原料中可持续地获取。为了实现其可持续利用，EG的氧化反应（EGOR）是推动燃料电池和通过水电解生成氢气等技术发展的关键过程。然而，传统的电催化EGOR面临诸多挑战，包括选择性差、反应动力学缓慢以及不希望发生的C-C键断裂，这些因素阻碍了其工业化的规模扩展。这些限制与所使用的电催化剂的性质密切相关。作为一种先进的电催化剂，镍泡沫（NF）独特的三维多孔结构具有高导电性、较大的活性表面积以及优良的催化性能，使其成为提高电催化效率的有效载体。通过调整其表面性质和优化反应条件，可以显著提升EGOR的效率。本综述探讨了基于NF的电催化剂在EGOR中的应用进展，重点关注控制EG选择性转化为各种产品的根本机制。此外，还重点介绍了催化性能、材料设计策略和反应路径的最新进展，强调了影响产品选择性和高效转化为目标化学品的关键因素。

引言

向可持续和循环型化学经济转型的紧迫性使得电化学氧化反应成为绿色化学合成领域的前沿[1]。其中，EGOR因其在温和操作条件下能够同时实现废弃物资源的再利用并协同生产高附加值化学品（包括氢气）而备受关注[2],[3]。值得注意的是，EG的原料不仅限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的降解；EG还可以从生物质衍生的多元醇以及传统的石化路线中获取。这种多样化的原料来源使得EGOR成为一个多功能、通用的EG增值平台，而不仅仅局限于塑料废弃物的回收利用。作为PET的主要水解产物，EG在废弃塑料回收利用方面具有巨大潜力，能够高效地通过电化学方法合成低碳燃料和有价值的化学品，如甲酸盐、甘醇酸盐和草酸盐[4],[5]。

然而，由于C-C键断裂的复杂性以及多种氧化中间体的形成[6],[7]，在EGOR中实现高效率和选择性仍然是一个重大挑战。为了克服这些障碍，设计出能够高效促进EGOR并定向生成目标产品的先进电催化剂至关重要。这类催化剂地球资源丰富、成本低廉，同时具备内在的氧化还原活性、机械稳定性以及表面修饰和异质结构整合的潜力[8],[9],[10]。NF作为一种高度导电的载体，通过结构、电子和界面工程手段可以调节其催化行为。最新研究表明，通过引入过渡金属（氧化物）氢氧化物、杂原子或纳米级涂层对NF进行改性，可以显著提升反应动力学并精确控制产物选择性[11],[12],[13],[14]。

本综述系统地总结了在EGOR中实现高效率和选择性方面取得的最新进展，特别强调了其在PET回收应用中的潜在价值。接下来的章节将深入探讨EGOR的应用现状，重点关注PET衍生EG氧化为C1和C2类高价值产品的过程，并讨论EGOR中的基本反应机理及中间体，以及通过催化剂设计提高选择性和能源效率的挑战与机遇。

EGOR基础

电催化EGOR是电化学能量转换中的重要反应，不仅可以为燃料电池（FCs）提供电力，还可以生成有价值的化学品[15],[16],[17]。EGOR具有不同的氧化电位，可以与其他半反应结合进行。

基于NF的催化剂工程

精确的催化剂设计对于EGOR的高效实施至关重要。最新进展表明，基于NF的催化剂系统因具有结构优势和优异的反应动力学而成为有前景的选择[73],[74]。NF衍生的催化剂不仅具有较高的表面积与体积比，还具备优化的孔结构，从而提高了反应物的可及性和产物的扩散速度[75],[76],[77]。此外，镍本身也表现出较强的催化活性。

基于NF的电催化剂在EG选择性氧化方面的最新进展

近年来，由于电催化EGOR在高附加值化学品合成中的重要性，这一领域成为研究热点[37],[173],[174]。EGOR性能的提高主要归功于战略性的催化剂设计、优化的反应条件以及计算模拟技术的应用[175],[176],[177],[178]。例如，通过引入过渡金属（如铂、钯、金）及其合金或氧化物，可以显著提升催化活性。

结论

电化学EGOR为可持续化学合成提供了一种有吸引力的策略，尤其是在与氢气生产和塑料废弃物回收结合使用时。正如本综述所强调的，基于NF的电催化剂由于其固有的结构优势、高导电性和可调的表面化学性质，为EGOR的发展提供了强大的平台。如图11所示，通过合理设计NF（例如引入过渡金属），可以进一步增强其催化性能。

展望与未来方向

电化学EGOR，尤其是在与氢气生产或塑料废弃物回收结合使用时，代表了实现可持续和循环型化学制造的关键策略。基于NF的电催化剂的发展为该领域开辟了新的方向，提供了结构可调性、高导电性以及协同作用的C-C和C-H键活化能力。尽管如此，仍需解决一些科学和技术上的挑战。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22579020）、四川省科技计划（项目编号2025ZNSFSC0139）和中国博士后科学基金（项目编号2023MD734228）的财政支持。