羰基化合物的催化加氢广泛应用于化工制造和生物质精炼，但目前的热催化工艺需要高温、高压H2和昂贵的催化剂。
近日，西北工业大学张健教授，华中科技大学刘攀研究员等人报道了一种基于Fe/Fe2O3纳米阵列（Fe/Fe2O3 NAs）的高效电催化羰基化合物还原为醇的方法。通过构建Fe与Fe2O3的界面，两者协同促进丙酮吸附与H*生成，显著加速氢化动力学。在1 M KOH溶液中，Fe/Fe2O3 NAs表现出1.6 A cm−2的异丙醇分电流密度和接近100%的选择性。在大规模双电极电解槽中，该催化剂可在0.2 A cm−2下稳定运行1000小时，实现>99%的丙酮转化率、100%异丙醇选择性和21.6 g gcat−1 h−1的产率。
此外，该催化剂对多种水溶性羰基化合物（如酮类和醛类）的氢化均展现出高转化率与选择性，为替代传统高能耗热催化工艺提供了可持续解决方案。相关研究成果以“Efficient electroreduction of carbonyl compounds to alcohols over Fe/ Fe2O3 interfaces”为题，于2025年4月2日发表在Nature Catalysis上。西北工业大学2023级博士生林金为论文第一作者。
张健，西北工业大学材料学院教授，博士生导师。2014年获博士学位，后在德国马普高分子研究所和德累斯顿工业大学进行博士后研究，师从冯新亮院士。2019年3月入选国家青年人才计划并入职西北工业大学，主要研究方向为绿色炔烯烃催化转化和特种催化。共发表研究论文90余篇，学术论著1章，谷歌学术引用14000余次，H-Index为45，入选科睿唯安全球高被引科学家；以通讯作者或第一作者发表研究论文50余篇，包括 Nat. Chem. (1), Nat. Catal. (2), J. Am. Chem. Soc. (2), Nat. Commun. (3), Adv. Mater. (9), Angew. Chem. Int. Ed. (4), CCS Chem. (1), Energy Environ. Sci. (2), Joule (1), Adv. Funct. Mater. (2), Adv. Energy Mater. (1)等。申请发明专利17项（已授权5项）。
刘攀，2006年本科毕业于华中科技大学，2012年博士毕业于北京工业大学，2012年-2016年在日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构担任研究助手，
2016年-至今任职上海交通大学材料科学与工程学院特别研究员。长期从事先进电子显微学在材料科学中的应用研究，跨尺度、多维度研究材料的微观结构与宏观性能的关系，为材料的设计和制造提供先进理念，致力于发展结构功能一体化的金属纳米结构材料、金属基催化和清洁能源材料。迄今在Science, Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Acta Mater.等重要期刊上发表论文140余篇，他引1万余次，H因子59。
图1 羰基化合物氢化成相应醇的途径
图1展示了羰基化合物氢化的两种路径：路线1为传统热催化氢化，需高温高压H2并使用贵金属催化剂（如Pt、Pd、Ru等），存在高能耗与安全隐患；路线2为本工作提出的电催化氢化，利用H2O作为氢源，在常温常压下通过Fe基催化剂实现。电催化路径的可持续性、安全性及低成本优势显著，且异丙醇产率（21.6 g gcat−1 h−1）远超热催化技术（cat−1 h−1）。作者指出，电催化氢化的生产成本（约1305美元/吨）低于热催化工艺（1320美元/吨），具备工业化前景。
图2 催化剂的形态和电催化性能
图2展示了Fe/Fe2O3 NAs的形貌与电催化性能。SEM和HAADF-STEM图像显示催化剂由交叉连接的纳米片构成，厚度为8-20 nm，Fe2O3（110）与Fe（110）晶面形成界面（图2a-c）。在1 M KOH含5%丙酮的电解液中，Fe/Fe2O3的异丙醇法拉第效率达79.4%，分电流密度为234.7 mA cm−2（图2d-e），远超Fe泡沫和Fe/Fe2O3 NAs。此外，其异丙醇产率（83.3 g gcat−1 h−1）比热催化体系（如Pt/CeO2的9.1 g gcat−1 h−1）高一个数量级（图2f）。连续120小时循环测试中，催化剂保持>99%转化率和100%选择性（图2g），证实其优异稳定性。
图3 电催化加氢的底物范围
图3验证了Fe/Fe2O3 NAs对多种羰基化合物的适用性。在1 M KOH溶液中，催化剂对水溶性酮类（如丙酮、环己酮）和醛类（如苯甲醛、糠醛）的氢化均实现≥99%转化率和~100%的选择性。核磁共振（11H NMR）谱图进一步确认产物的高纯度。该结果表明Fe/Fe2O3界面在电催化氢化中具有普适性，适用于不同结构的羰基底物。
图4 大面积双电极电解槽的电催化性能
图4评估了Fe/Fe2O3 NAs在工业级双电极电解槽中的性能。单程流动电解槽中，200 mA cm−2下丙酮转化率达94%，异丙醇产率为4.1 g gcat−1 h−1（图4a-b）。H型批式电解槽经1000小时运行后，仍保持>99%转化率和21.6 g gcat−1 h−1的产率（图4c）。通过太阳能驱动（图4d），系统可连续生产纯度99.7%的异丙醇（图4e）。技术经济分析表明，在50%法拉第效率下，电催化氢化成本（1305美元/吨）低于热催化工艺（图4f-g），表明了其巨大的商业化潜力。
图5 电催化丙酮加氢的机理研究
图5通过机理研究揭示了Fe/Fe2O3界面的协同作用。同位素标记实验证实H2O为氢源。极化曲线显示，丙酮浓度从1%增至30%时，异丙醇分电流密度从0.2 A cm−2提升至1.6 A cm−2（图5a-c）。对比不同Fe基催化剂（Fe NPs、Fe/Fe2O3 NPs等），Fe/Fe2O3 NPs的异丙醇分电流密度（200.6 mA cm−2）最高（图5d-f），表明界面处金属Fe促进底物吸附，Fe/Fe2O3加速H*生成。原位ATR-FTIR光谱显示C=O键（1697 cm−1）逐渐减弱，C-O键（1126 cm−1）增强，直接证实丙酮氢化过程（图5g）。
该项研究开发了一种在温和条件下高效电催化羰基化合物氢化为醇的策略。Fe/Fe2O3 界面的协同效应是催化剂高活性和选择性的关键。Fe/Fe2O3NAs具有安培级电流密度、近100%选择性、1000小时长期稳定性、广谱适用性及低成本等优势，展现出替代传统高压H2 依赖型热催化技术的巨大潜力。该技术有望推动醇类生产的绿色化与高效化。