近日，合肥工業大學材料科學與工程學院呂珺教授、沈王強副教授研究團隊與海南大學/華中科技大學盧興教授、張建教授課題組合作，在電催化合成過氧化氫領域取得重要進展。相關研究成果以“A Chlorine-Resistant Self-Doped Nanocarbon Catalyst for Boosting Hydrogen Peroxide Synthesis in Seawater”為題發表在國際著名學術期刊《Angew.Chem.Int.Ed.》上。文章第一作者為材料科學與工程學院博士生王鑫禹、沈王強副教授和海南大學/華中科技大學博士生張昌。
過氧化氫（H?O?）作為一種多功能化學品，廣泛應用于許多工業領域，尤其在環保、消毒和化學合成中具有重要作用。目前全球年生產能力已超過300萬噸，然而超過98%的H?O?仍通過能耗高且廢物較多的蒽醌氧化法合成。相比之下，電化學方法利用兩電子氧還原反應為H?O?制備提供了簡便、安全、低成本的生產替代方案。該方法僅需氧氣、電解液和電能即可高效生成高純H?O?。然而，傳統的酸性或堿性介質中H?O?的合成常面臨復雜的pH調節和分離困難等問題。因此，研究者們近年來開始關注在中性條件下合成H?O?的技術，這種方法不僅能夠提供穩定的儲存介質，且不需復雜的后處理過程，具有巨大的應用潛力。
圖一：氧還原反應機理，關鍵中間體*OOH吸附能
海水作為一種具有優異導電性和豐富資源的中性電解質，已成為電合成H?O?的理想選擇。然而，海水中的氯離子（Cl?）會干擾催化反應，抑制反應效率，因此限制了海水電化學體系的研究和應用。近年來，研究人員發現采用無金屬純碳材料作為催化劑，可以降低氯離子特異性吸附，并且在海水環境中具有優異的穩定性。蠶絲，作為自然界中氨基酸含量最高的生物質之一，其具備作為自摻雜前驅體的巨大潛力。因此，研究人員通過程序碳化處理蠶絲，使得其中氨基酸分子中的氮氧元素均勻摻雜至碳骨架中，制備了具有優異催化性能的氮氧摻雜碳材料（NO-DC700）。此外，碳化過程中同時形成了大量的納米孔洞，提供了更大的比表面積，以及更高的氧氣的傳質效率，促進了氧還原反應的電化學過程。
基于第一性原理計算，研究人員揭示了石墨氮和羥基基團作為活性位點在ORR反應中的重要作用，這些基團可以有效調控局部電子濃度，促進氧氣吸附以及過氧化氫的脫附過程，當石墨氮和羥基基團共同作用時關鍵中間體的結合能接近火山峰頂點，是促進二電子氧還原反應的理想構型。
圖二：氣體擴散電極中電合成過氧化氫產量及穩定性
NO-DC700催化劑在模擬海水中反應電流可達到400 mA，產率高達4997 mg L?¹ h?¹，法拉第效率接近100%，顯示出極高的電催化活性和效率，即使在空氣條件下，NO-DC700催化劑產率仍能保持在3000 mg L?¹ h?¹。在超過200 mA的電流密度下，NO-DC700催化劑能夠穩定運行20小時，期間過氧化氫濃度積累至4.1 wt.%，證明了其在長時間、高電流條件下的穩定性和大電流下持續運行能力，是近年來中性條件下報道的最高性能的催化劑之一。
圖三：原位合成過氧化氫結合電芬頓反應
NO-DC700催化劑在過氧化氫（H?O?）合成方面的優異性能為其在海水綜合治理中的應用提供了新的機遇。通過將生產的過氧化氫與電芬頓技術相結合，實現了有機物的快速降解和海洋藻類的高效滅活。電芬頓反應利用過氧化氫生成羥基自由基（·OH），能夠有效降解有害有機物，并對海洋藻類等生物進行高效滅活。這項研究拓展了電合成過氧化氫的應用領域，展示了通過二電子氧還原電合成過氧化氫技術在海水綜合治理中的巨大應用潛力。
上述研究全面依托先進能源與環境材料國際科技合作基地、清潔能源新材料與技術學科創新引智基地（111計劃）、安徽省先進納米能源材料國際科技合作基地、先進功能材料與器件安徽省重點實驗室等高水平科研平臺，相關研究工作得到了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、中央高校基本科研業務費等支持。