新型催化剂有效促进水电解和自由基生成

AI科技 2025年09月27日 18:28 2 admin

近日，清华大学深圳国际研究生院副教授吴乾元、王文龙团队通过界面工程调控，成功构筑了一种双位点催化剂。该催化剂利用异质团簇诱导氧空位与内建电场，有效促进水电解和自由基生成，实现了阴极与阳极的双氧水同步电合成。相关研究成果发表于《德国应用化学（国际版）》。

随着全球能源危机与环境问题的日益严峻，开发绿色、可持续的化学品生产途径成为热点研究方向。双氧水作为一种高效、环境友好的氧化剂，广泛应用于水处理、消毒杀菌、造纸漂白及绿色有机合成等领域。然而，目前工业上主要采用蒽醌法生产双氧水，该工艺能耗高、流程复杂，需要集中化生产，且存在运输风险，因此当前亟需探索更为清洁和分布式的合成方法。

电化学合成双氧水基于两电子氧还原反应和两电子水氧化反应，为替代传统工艺提供了新途径。然而，该方法通常依赖稳定的直流电源驱动，在实际应用中，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源具有波动性和间歇性，直接耦合会导致电合成过程不稳定、法拉第效率下降及催化剂失活等问题。

因此，开发能够同时高效驱动两电子氧还原反应与两电子水氧化反应两种反应的双位点催化剂，实现催化剂与波动能源的高效适配，是推进电合成双氧水实际应用的关键，也是应对能源波动性的重要策略。

双氧水双位点合成示意图。研究团队供图

为此，研究人员利用柯肯达尔效应进行界面调控，构筑了具有暴露晶面的NiZnOx-C催化剂。NiOx团簇能够诱导氧空位和内建电场，从而促进水分子的活化及随后的氢自由基和羟基自由基形成，使得单一催化剂即可在阴极和阳极快速实现双氧水电合成。值得注意的是，阴极上的两电子氧还原反应实现了高浓度双氧水的快速合成。

该催化剂在连续流动反应器中表现出稳定的两电子氧还原反应与两电子水氧化反应的耦合能力，在模拟交流电条件下可靠运行4小时，并在安培级直流电下实现了最高150.9%的总法拉第效率。

该研究不仅为基于柯肯达尔效应的界面工程提供了新见解，也证明了将间歇性可再生能源直接耦合至双氧水电合成体系的可行性。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202512046