第一作者：王炎鋒

通訊作者：丁杰（南京大學(xué)）  Chad D. Vecitis （哈佛大學(xué)） 高冠道（南京大學(xué)）

發(fā)表期刊：Environmental Science & Technology

期刊5-Year Impact Factor：11.4

第一單位：紹興文理學(xué)院

論文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c07674

圖片摘要

研究介紹

　　過(guò)氧化氫(H₂O₂)是一種綠色環(huán)保的化學(xué)氧化劑,，廣泛應(yīng)用于消毒,、電子、造紙/紙漿漂白和環(huán)境保護(hù)等,。當(dāng)前,，蒽醌氧化是工業(yè)上合成H₂O₂的主要方法,，但該技術(shù)需要輸入大量能量，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害的有機(jī)污染物,。因此,，亟需開(kāi)發(fā)一種高效、經(jīng)濟(jì)和綠色的H₂O₂合成方法,。

　　當(dāng)前,，合成H₂O₂的主流途徑主要有兩種，一種是通過(guò)氧還原(O₂ + 2e^? + 2H⁺ → H₂O₂; E⁰ = 0.695 V vs. SHE),，另一種是通過(guò)水氧化(2H₂O → H₂O₂ + 2e^? + 2H⁺; E⁰ = 1.776 vs. SHE),。通過(guò)氧氣還原合成H₂O₂的途徑在能量上是有利的，但水中的溶解氧濃度低(僅為~8 mg L^?1),，雖然曝氣可以有效提高溶解氧濃度,，從而提高H₂O₂產(chǎn)率，但也存在氧利用率低,、能耗高等問(wèn)題,。

　　利用水氧化直接合成H₂O₂是一種有前景的替代途徑。但同時(shí)也面臨一個(gè)主要問(wèn)題,，水也可以通過(guò)4電子氧化產(chǎn)生氧氣(2H₂O → O₂ + 4e^? + 4H⁺; E⁰ =1.23 vs. SHE),，該反應(yīng)比2電子氧化成H₂O₂具有更低的能量勢(shì)壘,，因此直接水氧化合成H₂O₂存在很大的熱力學(xué)障礙。同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中也要防止H₂O₂繼續(xù)氧化為HOO?和O₂,。由于能量需求以及選擇性問(wèn)題,，水氧化合成H₂O₂的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

　　日前,，我校生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教師王炎鋒提出了一種利用聚四氟乙烯（PTFE）-水接觸電催化合成H₂O₂的方法,，該系統(tǒng)基于接觸起電原理，在純水,、常壓,、無(wú)犧牲劑的條件下，H₂O₂的產(chǎn)量高達(dá)24.8 mmol g_cat^?1 h^?1,，超過(guò)了目前最先進(jìn)的水性 H₂O₂ 粉末催化劑的性能,。同時(shí)該系統(tǒng)可以不依賴氧氣，直接分解水合成H₂O₂,，在厭氧廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景,。

　　催化劑濃度從1 mg/L增加到100 mg/L， H₂O₂濃度從37.8 ± 5.2增加到324.8 ± 27.2 μM,，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)特征,；在無(wú)催化劑以及以TiO₂為催化劑的體系中，H₂O₂的產(chǎn)量幾乎可以忽略不計(jì),，證實(shí)H₂O₂是由PTFE催化主導(dǎo)產(chǎn)生,；循環(huán)實(shí)驗(yàn)證實(shí)PTFE催化劑非常穩(wěn)定；與常見(jiàn)的光催化劑和壓電催化劑對(duì)比后發(fā)現(xiàn),，PTFE催化劑顯示出最佳的H₂O₂合成性能,。

　　電子順磁共振、自由基捕獲以及同位素等實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在環(huán)境氣氛中PTFE-水摩擦催化產(chǎn)生H₂O₂可以通過(guò)?OH的重組和O₂的1 e^?還原路徑產(chǎn)生,，而在無(wú)氧條件下?OH的重組是H₂O₂生成的主要途徑。PTFE催化系統(tǒng)在厭氧和有氧條件下都能獲得較高的H₂O₂產(chǎn)量,，只是在不同的氣氛下經(jīng)歷的反應(yīng)過(guò)程和機(jī)制不同,。此外，該系統(tǒng)在在弱酸性,、中性或堿性條件下(pH=3~10)進(jìn)行,，環(huán)境中大多數(shù)無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子對(duì)H₂O₂產(chǎn)生無(wú)顯著影響，滿足在天然水體中的應(yīng)用范圍,。

　　上述研究以“O₂-independent H₂O₂ production via water-Polymer contact electrification”為題于2023年12月20日在線發(fā)表于Nature index期刊（環(huán)境領(lǐng)域頂級(jí)期刊）Environmental Science & Technology,。論文第一作者為我校生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王炎鋒博士（我校為第一單位），通訊作者為南京大學(xué)的高冠道教授,、丁杰助理研究員以及哈佛大學(xué)的Chad D. Vecitis教授,。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、中國(guó)博士后科學(xué)基金和污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等資助。

作者簡(jiǎn)介

第一作者 王炎鋒

　　生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教師,，博士,，主要研究方向?yàn)楦呒?jí)氧化/還原水處理技術(shù)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金,、浙江省自然科學(xué)基金青年探索項(xiàng)目,、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目各1項(xiàng)，相關(guān)成果以第一作者在Nature Communication,、Angewandte Chemie International Edition,、Environmental Science & Technology等期刊發(fā)表。授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng),，美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)。

編輯：蘇標(biāo)標(biāo)　嚴(yán)許媖