生物质基有机物的电化学氧化具有环境友好、反应条件温和、转化率和选择性高、阴极析氢反应(HER)效率高等优点，近年来备受关注。实现生物质电氧化反应(BEOR)规模化应用的关键在于合理构建高效催化剂，并对所构建催化剂进行结构优化和性能提升。
有鉴于此，黑龙江大学付宏刚教授、闫海静副教授等人，总结了BEOR的机理，并对目前广泛研究的非贵金属电催化剂进行了综述。
本文要点
1）系统地讨论了结构/组成与催化活性之间的关系。此外，除了杂原子掺杂、缺陷工程和异质结构造外，还总结并强调了通过调节电子结构开发有效催化剂的策略。最后，总结了当前构建高效BEOR催化剂研究的局限性，提出了深入研究所需的方法和思路，并讨论了BEOR研究的目标和未来发展趋势。这有望为电化学生物质升级的大规模应用提供指导。
2）可用于 BEOR 的非贵金属催化剂包括但不限于过渡金属及其（氢）氧化物、金属间隙化合物（氮化物、磷化物、硫化物和硒化物），以及一些最近报道的（超）分子化合物。深入讨论了通过电子结构调制构建 BEOR 催化剂的新兴策略，主要包括杂原子掺杂、缺陷工程和异质结构建。这些方法可以优化电子的排列、d 能带结构和反应物的吸附或解吸，以及引入新的活性位点。尽管BEOR催化剂在电子结构优化方面取得了巨大的进展，但目前的研究仍局限于表面和界面结构的修饰。决定电子结构调谐的具体机制还有待阐明。
3）目前BEOR催化剂研究的局限性如下：i)缺乏对电子结构优化前后BEOR催化剂催化机理的研究。 ii) 用于研究催化剂电子结构变化的常规表征技术不够直观，需要采用原位表征技术(如原位拉曼光谱、原位FT-IR、原位EXAFS)来观察电子结构的瞬时变化。iii) 许多研究都集中在催化剂合成的电子结构调制方法上。然而，尚未深入研究通过优化电子结构引入的基本变化，例如 d 轨道、电子构型、电子态密度和电子能带结构的变化。 iv) 目前的研究并未涵盖所有电子结构调制方法。存在许多其他有效的策略，例如相变、电子排列和自旋极化。v) BEOR 是电化学电池中的半反应，整个电池反应的效率也取决于耦合的阴极反应。因此，需要将BEOR与阴极HER或其他反应（CO2RR、NRR和有机还原）结合起来，从而提高整个反应的效率。特别是利用满足可持续发展需要的可再生间歇性能源(太阳能、风能等)的低压电驱动耦合反应，对未来的应用具有重要意义。总体而言，高效 BEOR 催化剂的成功设计和合成可能使 BEOR 商业化，用于同时电化学生产 H2（和其他阴极增值产品）和增值化学品。使用可持续来源的低压能源推动这一过程将有助于实现碳中和的战略目标。
参考文献：
Ganceng Yang et al. Electronic Structure Modulation of Non-Noble Metal-Based Catalysts for Biomass Electrooxidation Reactions. Small Structures, 2021.
DOI: 10.1002/sstr.202100095
https://doi.org/10.1002/sstr.202100095
