通过电荷极化的 Auδ−-Cuδ+ 位调控吸附选择性以稳定葡萄糖电氧化

将植物糖转化为能量与产品

葡萄糖是植物中常见的简单糖，但它不仅仅是食物。该研究展示了如何利用电能和精心设计的金属表面，将葡萄糖转化为有用的化学品和清洁的氢燃料。这项工作指向未来能够升级可再生生物质并降低制氢能耗的装置。

为什么糖对清洁能源很重要

我们的能源系统仍然高度依赖化石燃料，而植物基原料提供了一种可再生的替代方案。葡萄糖是生物质中最常见的构件之一，可被转化为有价值的有机酸。其中一种产物——葡萄糖酸钾，在食品、医药和农业中用途广泛。与此同时，将葡萄糖电氧化为该产物的反应可替代水分解中通常产生氧气的那一步，后者速率慢且耗能大。因此用葡萄糖氧化取代该步骤可以降低制氢所需的电压，使整个过程更节能。

现有金属表面的问题

许多金属催化剂在需要高速氧化生物质分子（如葡萄糖）时表现不佳。常见的过渡金属如铁、钴和镍在强电位下常发生重排，生成高活性的物种，破坏碳-碳键并将大量碳转化为低价值的片段。铂和钯等贵金属也倾向于类似的过度氧化。金在保护碳骨架方面更有优势，能够引导葡萄糖生成有价值的产物，但在较高电位下其表面会逐渐被含氧层覆盖。这些表面氧化物阻塞必要的反应位点，导致催化剂活性下降甚至失效。

一种聪明的金-铜协作

研究人员通过以特定比率构建金铜合金（标记为 Au4Cu2）来解决该问题。在原子尺度上，铜原子向相邻的金原子部分给电子，使得金略微带负电、铜略微带正电。这种电荷不平衡在同一表面上形成两种互补的位点。实验与计算模拟表明，带负电倾向的金位点吸引并吸附葡萄糖，而带正电的铜位点有利于碱性溶液中羟基的吸附。两种配对位点协同促进活性氧物种和羰基中间体的形成，使葡萄糖顺利转化为葡萄糖酸而不将分子撕裂。

快速、选择性高且持久的性能

在含葡萄糖的碱性溶液中测试时，Au4Cu2 合金在相对较低的电压下达到了工业相关的电流密度。其选择性非常高，约有 97% 的转化葡萄糖最终成为葡萄糖酸钾，仅有微量不期望的副产物。该合金还抵抗常见的衰减形式。长时间电解前后的表面分析显示合金的结构与组成基本保持完整，且富铜位点优先吸附羟基，保护金不形成厚的氧化层。因此催化剂在多小时运行中保持了活性和法拉第效率——即将电荷转化为化学产物的效率。

用于双重产出的无膜装置

为展示实际潜力，团队构建了一个无膜流动电解槽，使用 Au4Cu2 合金作为正、负两极。将溶解在碱性水中的葡萄糖泵入电池，一侧被氧化为葡萄糖酸钾，另一侧生成氢气。该装置在远低于传统水电解所需电压下实现了高电流密度，并以工业可观的速率生产葡萄糖酸钾。简单的经济分析表明，在典型的可再生电价和中等电流密度下，该工艺有望以具有竞争力的成本生产葡萄糖酸钾，同时显著降低每体积氢气所需的电力。

对日常生活的意义

简而言之，这项工作展示了如何通过精细调控的金-铜表面，将植物糖和水高效、耐久地引导为有用的化学品和清洁燃料。通过赋予表面不同部位不同的电性，合金能够控制关键反应步骤发生的地点，避免纯金容易出现的自损。如果放大应用，这类系统可帮助未来的生物炼厂将农业流料转化为有价值的产品，同时降低绿色氢气的能耗，将食品、化学品与清洁能源在单一集成过程中连接起来。

引用: Liu, Y., Tao, X., Huang, C. et al. Regulating adsorption selectivity by charge-polarized Au^δ−-Cu^δ+ site for stable glucose electrooxidation. Nat Commun 17, 4372 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72465-x

关键词: 葡萄糖电氧化, 金铜合金, 葡萄糖酸钾, 生物质升级, 制氢