生質廢棄物賦能：木質素催化劑引領氫能生產新紀元

「我們的研究表明，一種由木質素製成的催化劑，木質素是造紙和生物精煉工業的低價值副產品，可以提供高活性和卓越的耐用性。這為大規模製氫提供了一條更環保、更經濟的途徑。」 – 廣東工業大學秦彥林

傳統上，造紙和生物精煉工業會產生大量的木質素，這種天然聚合物往往被焚燒以產生極少的能量，造成環境汙染。然而，近期一項突破性的研究，將這種看似無用的廢棄物轉化為潔淨能源生產的寶貴資源。科學家們成功開發出一種以木質素為基礎的新型催化劑，為大規模氫氣生產開闢了更環保、更經濟的途徑，有望取代傳統的貴金屬催化劑。

這項研究的亮點在於名為 NiO/Fe3O4@LCFs 的催化劑，它由奈米級的氧化鎳和氧化鐵顆粒組成，並嵌入到由木質素衍生的氮摻雜碳纖維中。這種獨特的結構設計賦予催化劑多重優勢：
* 快速電荷傳輸： 碳纖維骨架提供高效的電子傳輸通道，加速反應速率。
* 高表面積： 奈米顆粒分散在碳纖維上，增加了反應活性位點，提高催化效率。
* 結構穩定性： 碳纖維支撐結構有效防止金屬氧化物顆粒團聚，提升催化劑的耐用性。
木質素經過靜電紡絲和熱處理等工藝，轉化為具有導電性和支撐作用的碳纖維，為金屬氧化物顆粒提供理想的載體。

該催化劑展現了令人印象深刻的性能指標。在 10 mA cm⁻² 的電流密度下，僅需 250 mV 的低過電位即可啟動反應。更重要的是，在高電流密度下，它能維持超過 50 小時的高穩定性。

這些優異的性能水平表明，這種木質素衍生的催化劑具備大規模水分解應用的潛力。
相較於傳統的貴金屬催化劑，此木質素催化劑不僅降低了成本，更實現了永續發展的目標。

在碳纖維結構中，由氧化鎳和氧化鐵形成的奈米級異質結構在氧氣析出反應 (OER) 中扮演著關鍵角色。這種異質介面能夠優化中間分子的結合和解離，提升電子轉移效率，從而有效地驅動氧氣析出。此外，它還能防止金屬氧化物顆粒團聚，這是傳統金屬催化劑常見的問題。
電化學測量與理論驗證：雙金屬優勢
電化學測量結果證實，相較於單金屬催化劑，雙金屬催化劑具有更優異的性能，尤其是在實際電解系統所需的高電流條件下。Tafel 斜率為 138 mV/decade，表明反應動力學迅速。原位拉曼光譜和密度泛函理論計算，也為所提出的反應機制提供了有力支持。
研究團隊運用了多種先進的分析技術，深入探討了催化劑的結構和反應機制，從而確保研究結果的可靠性和科學性。

此催化劑的設計強調可擴展性和永續性，充分利用全球豐富的木質素資源，為實現更綠色的工業氫氣生產提供切實可行的途徑。

「我們的目標是開發一種不僅性能良好，而且可擴展並植根於永續材料的催化劑……因為木質素在全球範圍內大量生產，這種方法為實現更綠色的工業氫氣生產技術提供了一條切實可行的途徑。」 – Xueqing Qiu.
這項研究不僅為氫能生產帶來了新的可能性，也為其他能源轉換領域提供了寶貴的啟示。
透過將可再生碳載體與精心設計的金屬氧化物介面相結合，我們可以創造出低成本且環境友善的潔淨能源技術。
生物質材料的價值提升：開啟電催化劑設計新篇章
這項研究突顯了生物質衍生材料在能源轉換領域日益增長的價值。所開發的方法可以應用於不同的金屬組合和催化反應，為基於豐富天然資源設計下一代電催化劑開闢新的機會。
學者與研究生可以通過在包括 “Lignin Waste Powers Hydrogen Production: A Sustainable Catalyst Breakthrough” 等關鍵詞在學術資料庫中檢索，找到相關研究的原始文獻與更深入的資訊。