科學家團隊探索出直接合成過氧化氫的機制

材料牛注：過氧化氫被廣泛應用于化工生產中，然而其生產卻受到設備、能耗成本、運輸等限制。目前研究人員探索出直接合成過氧化氫機制，使得合成過氧化氫更加便捷。

從用于制造汽車座椅的聚氨酯到經由漂白過的木質紙漿生產的紙制品，在這一系列產品大規模生產過程中，我們經常要用到氯這種物質。氯能充分激活分子間的強鍵作用力，這利于制造商生產我們必需的日常用品。但同時它也是一種具有潛在危害的化學制品，一旦逸出到生活環境中便會衍生為具有危害性的副產物，如氯仿和二氧雜芑（或稱二惡英）。

因此，科學家們和許多企業一直在探索更環保無害的氯替代物--過氧化氫，即H2O2。但它的的價格較昂貴。過氧化氫的生產通常是集中在大型設備中，且需要大量能耗用于分離，濃縮及運輸。目前，全球有一小部分企業開始用已有的工藝生產過氧化氫，但相同條件下用過氧化氫代替氯來生產聚氨酯前驅體的結果表明，其生產成本提高，但節約能耗且減小對環境的影響。理論上，小規模的工廠也將能夠在反應裝置內合成過氧化氫，但這將需要一系列完全不同的化學反應機理和過程來幫助實現，由氫氣和氧氣直接合成過氧化氫，據伊利諾伊州厄巴納尚佩恩分校的研究人員了解到這種方法長期以來人們知之甚少。

由化學和生物分子工程助理教授David Flaherty及研究生Neil Wilson的最新研究揭示了催化劑鈀簇作用下直接合成過氧化氫的機制，同時也為設計更加優異的且與生產設備規模無關的催化劑來生產過氧化氫以代替有害氯的使用鋪平了道路。該項研究發表于2016年1月20日美國化學學會期刊的封面。

Wilson曾說，這種直接合成過氧化氫機理目前已得到普遍的認同，其本質是氫原子和氧原子一個挨一個依附于催化劑表面上，而后再發生反應。為了更好地了解其發生機理，他花了一年多時間設計了一個反應器、一套精確的實驗程序，然后收集和分析反應速率數據。

目前研究人員對于催化劑表面一些反應的發生機理有更好的認識，并且對在此化學反應過程的本質是質子和電子的傳輸表示贊同。然而這種理論并沒有認識到催化劑表面上的氧與各種液相反應，因此，過氧化氫的直接合成強烈地受到該溶液本身的影響。而水的形成（不希望的副反應）主要受催化劑表面性質的影響。

“由于我們清楚了催化劑表面上到底發生了什么，我們就可以開始用逆向邏輯思維推理設計催化劑，” Wilson說。該研究小組目前正在尋找到另一種催化劑--鈀金，過去的研究工作表明鈀金對H2O2有極強的選擇性。“人們至今仍不完全知道為什么鈀金對過氧化氫是如此有選擇性，” Wilson補充說道。但似乎本研究的這個新的合理性認識將有助于解釋這些材料的選擇性。

目前在弗萊厄蒂實驗室的幾個學生正在探索“在微尺度方面（達到微米級別），將這種化學技術和過氧化氫的綠色氧化反應結合起來”。Flaherty說，“如果我們能使形成過氧化氫的催化劑盡可能接近能直接在氧化反應中發揮作用的物質，我們就可以避免濃縮和運輸過氧化氫等的全部問題。”

素材：丁菲菲 譯者：戴臻盛 校對：鄧婷婷

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