选择性两电子氧气电化学(氧还原和水的氧化)制备双氧水

双氧水是一种重要的化学品,在工业、医药和环境保护等领域具有十分广泛的应用。目前,双氧水的制备主要依赖于复杂和高能耗的蒽醌过程或H2和O2的直接合成。尽管上述两种方法能够产生大量、高浓度的双氧水,然而需要复杂的杂质分离过程,同时双氧水的不稳定性使得其在存储和运输过程中具有很高的安全隐患。因此,发展直接、有效和经济的方法原位制备双氧水具有更高的应用价值。近年来,基于氧气电化学方法,即氧还原(O2 + 2H+ + 2e- → H2O2, Eo = 0.70 V)和水的氧化(2H2O → H2O2 + 2H+ + 2e-, Eo = +1.76 V),制备双氧水的研究正在越来越多地吸引科学家的关注。氧气电化学制备双氧水不仅能够有效解决蒽醌过程和直接合成过程中存在的问题,还可以充分利用风能、太阳能等可再生能源,从而有效缓解偏远地区的饮用水问题。

直接两电子氧气电化学制备双氧水的效率在很大程度上取决于优异催化剂的获取。近年来,大量的理论和实验研究发现一些新颖纳米结构材料能够高效和选择性的产生双氧水。基于此,济南大学的逯一中(Yizhong Lu)教授和新加坡南洋理工大学的王昕(Xin Wang)教授应邀撰写的综述文章“Selective Electrochemical H2O2 Production through Two-Electron Oxygen Electrochemistry”中系统总结了近年来关于直接两电子氧气电化学制备双氧水的研究进展。文章首先简要介绍了氧气电化学反应的机理过程、双氧水产生装置和产率测定方法。然后详细阐述了一些具有高的双氧水产生选择性、活性和稳定性的电催化剂,如贵金属及其合金、单原子、碳基材料、金属氧化物等,以及这些电催化材料的结构、组成和组份与双氧水制备性能之间的相互关系。最后,作者对氧气电化学制备双氧水这一新兴研究领域的近期研究方向和难点进行了探讨和展望。该综述可以为以后合理的设计和合成有效的电催化剂、理解电催化剂的结构-性能相互关系规律以及氧气电化学制备双氧水的实际应用提供一定的指导。

相关论文近期在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801909), 济南大学材料科学与工程学院的逯一中教授和新加坡南洋理工大学的王昕教授为共同通讯作者。