近日，我校科研人员在低能耗电解水制氢耦合绿色电合成含能材料体系方面取得新进展。该成果以“Green electrosynthesis of 3,3’-diamino-4,4’-azofurazan energetic materials coupled with energy-efficient hydrogen production over Pt-based catalysts”为题发表在国际高水平期刊Nature Communications。论文第一作者为化工学院李嘉辰副教授，通讯作者为化工学院马海霞教授、北京化工大学邱介山教授和徐明副教授。

含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物，是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。其中，富氮杂环类化合物由于在具有挑战性的含能材料领域中能够同时满足多种需求被认为是具有前景的含能化合物。然而常规有机合成法制备该类化合物通常包含有机试剂和氧化剂，这些试剂通常具有毒性、腐蚀性和高成本以及副产物较难去除等弊端。并且需在高温下进行反应，具有较大安全隐患。研究团队针对传统偶氮类有机含能材料的合成过程中的缺陷，发展了绿色温和的电化学法合成偶氮类含能材料，反应在室温下水溶液中即可进行，避免了高温合成环境、使用化学氧化试剂、有机试剂以及繁琐的副产物分离步骤，最终实现绿色电化学合成含能材料。

化石能源制氢是现如今主要制氢方式，但是这种方法需要消耗大量的不可再生能源，释放大量的CO₂，加剧温室效应。而电解水制氢是一种清洁的制氢方式，但是仍有一些因素制约其发展。其中缓慢的氧气析出反应（OER）速率是影响电催化水分解制氢（HER）效率的重要因素。而选择电位较低且具有高附加值的氧化反应代替OER可从根本上解决制氢槽电压过高、能耗高的问题。研究发现某些偶氮化反应相较于OER具有更低的氧化电位，因此采用绿色电合成偶氮含能材料反应替代OER并与HER耦合，构建新型电解水制氢体系能够在阴极实现低槽电压、低能耗制氢的同时，在阳极实现绿色电合成偶氮含能材料，达到一举两得效果。

鉴于此，研究团队首次将具有较低氧化电位的3，4-二氨基呋咱（DAF）偶氮化反应替代OER并与HER耦合。该偶氮化反应在阳极生成高能富氮含能材料DAAzF，相比于传统有机合成方法具有绿色、环保、高效、安全等优势。另外，以Pt单原子/团簇修饰的硫化钨纳米片复合催化剂和CuO纳米线催化剂分别作为阴阳极（图2a~c），阴阳极电解液分别为1.0 M KOH和1.0 M KOH+0.2 M DAF，构建新型耦合体系。组装的双电极电解槽可以达到10和100 mA cm^–2，槽电压分别为1.26和1.55 V，每立方米氢气的电耗仅为3.01和3.70 kWh，而传统的水电解法每立方米氢气电耗为5 kWh。因此，该耦合体系的建立实现了低槽电压、低能耗产氢（图2d、e、h）。另外，将阳极黄色产物进行核磁表征，证实了通过电氧化偶氮化的方式可成功合成DAAzF含能材料，达到了绿色电合成富氮含能材料目的。该耦合体系的构建实现了阴极低能耗制氢和阳极绿色合成偶氮含能材料的一举两得目的，为新型低能耗电解水产氢耦合体系的设计提供了一个新方向。

马海霞教授课题组一直致力于含能材料的开发、安全性评估以及废水的绿色处理等研究工作。课题组依托教育部创新团队、陕西省重点科技创新团队和西安市特种能源材料重点实验室，以“双碳”战略目标为导向，采用绿色低碳光化学、电化学技术制备含能材料，率先将有机含能材料合成与制氢反应进行耦合，构建联产体系。前期，团队已经在耦合产氢联产体系方面取得进展，相关工作发表于Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202203900）、Advanced Functional Materials（https://doi.org/10.1002/adfm.202109439）、Chemical Engineering Journal（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132953）等期刊。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-43698-x

低能耗制氢与绿色电化学合成含能材料耦合装置与传统偶氮化反应对比示意图

（a、b）WS₂表面锚定Pt单原子/团簇的形貌表征：（c）泡沫铜表面原位负载CuO纳米线的形貌表征；（d）耦合体系示意图；（e）耦合体系极化曲线；（f）耦合体系实物图；（g）阳极DAAzF含能材料的NMR表征；（h）耗电量计算