寧波材料所陸之毅團隊聯合陳亮研究員團隊在電化學制備過氧化氫電極設計領域取得進展

引言

過氧化氫（H₂O₂）作為一種環境友好的高效氧化劑，在化學品合成、污水處理及軍工等領域有廣泛的應用。目前，國內外生產過氧化氫最主要的方法是蒽醌法，過氧化氫濃度達到70%以上，存在運輸和時效等問題。對于很多領域，包括污水處理、紙漿漂白、生活消毒等對過氧化氫濃度的需求并不高（1~5%），可以采用電化學催化氧氣還原合成過氧化氫的方法。基于課題組的前期研究（Nature Catalysis, 2018, 1, 156；Nature Communications, 2020, 11, 5478），我們發現除了高效催化劑開發外，為了滿足電化學H₂O₂合成所需的高電流密度，該電極還需要具備大量穩定的三相反應接觸線。然而在不斷通過電化學生成H₂O₂過程中，原位高濃度H₂O₂會導致碳電極表面氧化，進而腐蝕三相接觸線，導致催化電流密度不斷減小進而失效。

成果簡介

針對電極表面易受H₂O₂產物氧化腐蝕問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所陸之毅團隊聯合陳亮研究員團隊，設計合成了一種具有微納米結構的鎳氧碳自支撐電極，進一步通過表面修飾，使得電極表面具有“超親氣”特性和一定厚度的“三相接觸緩沖層”。在電化學氧氣還原合成過氧化氫反應過程中，該“超親氣”特性可以加快反應電流密度增速，同時“三相接觸緩沖層”可以有效經受表面H₂O₂對于電極的腐蝕，使得電極在較長時間內穩定運行。電化學結果顯示，該電極具備三重優勢：1），含有原子級分散的鎳氧碳（Ni-O-C）催化劑在中性介質中同時具備高活性和高反應選擇性（>90%）；2），電極的“超親氣”特性增加了反應物氧氣的傳輸速度，使得工作電流密度比傳統電極高一倍（>100 mA/cm²）；3），電極的耐H₂O₂氧化腐蝕特點使得電極在靜態測試體系具備超過200小時的穩定工作時間，相比傳統電極高一個數量級。

進一步我們將自支撐超親氣電極直接應用于染料降解和有機物污水處理，不論是靜態的反應電解池降解還是流動電解槽降解，該電極都能夠高效、穩定的處理。該工作以題為“Fast and Stable Electrochemical Production of H₂O₂?by Electrode Architecture Engineering”發表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering雜志上（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01468）。

得到了寧波市“科技創新2025”重大專項2020Z059和2020Z107，博士后創新人才支持計劃（BX20190339），博士后基金（2019M662127和2019M662124）及中科院百人計劃的支持。

圖文導讀

圖1自支撐-超親氣電極與滴涂電極的表面親氣性表征

圖2材料精細結構表征，Ni-O-C單原子活性位點表征

圖3催化劑及電極的活性和穩定性表征

圖4染料及有機物降解

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