过氧化氢（H
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O
2
）作为一种多功能化学品，广泛应用于许多工业领域，尤其在环保、消毒和化学合成中具有重要作用。目前全球年生产能力已超过300万吨，然而超过98%的H
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O
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仍通过能耗高且废物较多的蒽醌氧化法合成。相比之下，电化学方法利用两电子氧还原反应（2e
⁻
ORR）为H
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O
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提供了简便、安全、低成本的生产替代方案。该方法仅需氧气、电解液和电能，通过紧凑的设备即可高效生成H
2
O
2
。传统的酸性或碱性介质中H
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O
2
的合成常面临复杂的pH调节和分离过程等问题。因此，研究者近年来开始关注在中性或近中性溶液中合成H
2
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的技术，这种方法能够提供稳定的储存特性，且不需要复杂的后处理，具有巨大的应用潜力。
海水作为一种具有优异导电性和丰富资源的中性电解质，成为合成H
2
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的理想选择。然而，海水中的氯离子（Cl
⁻
）会干扰催化反应，抑制反应效率，限制了海水电化学体系的研究和应用。与金属催化剂相比，无金属碳基催化剂不仅具有更弱的氯离子吸附能力，还具备更稳定的结构，因此在海水环境中具有更大的应用潜力。本研究提出了一种新的催化剂设计策略，基于蚕丝纤维作为前驱体，成功合成了耐氯自掺杂富缺陷纳米碳（NO-DC
700
）催化剂。该催化剂在海水环境中表现出优异的氧还原反应（ORR）活性和2e
⁻
选择性，且在稳定性和氯耐性方面有出色表现。密度泛函理论（DFT）计算揭示了石墨态氮和C-OH结构是H
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O
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电合成的理想活性中心。本工作为海水环境中催化剂的设计提供了新的思路，探讨了不同氮氧构型对*OOH的调控作用，并展示了2e
⁻
ORR在海洋污染控制中的应用潜力。
1.
催化剂设计与制备：通过使用蚕丝纤维作为前驱体，成功合成了耐氯自掺杂富缺陷纳米碳（NO-DC
700
）催化剂。该催化剂在海水环境中展示了卓越的氧还原反应(ORR)活性和2e
⁻
选择性。
2.
应用与前景：NO-DC
700
催化剂在自制流动池中稳定运行超过20小时，成功积累了4.1 wt.%的H
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O
2
，并在有机污染物降解和海藻灭活方面展现了巨大潜力，证明其在海水环境中的广泛应用前景。
图1
蚕丝作为自然界中氨基酸含量最高的生物质，具备作为自掺杂前驱体的巨大潜力。经过程序碳化处理，蚕丝中的氨基酸分子中的氮氧元素被均匀掺杂到碳骨架中，形成具有优异催化性能的氮氧掺杂碳材料。碳化过程中还生成了大量的纳米孔洞，这些孔洞不仅提供了更大的比表面积，还提高了氧气的传质效率，促进了氧还原反应等电化学过程。
图2
NO-DC
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催化剂富含石墨氮和羟基基团，这些功能团在电催化过程中起到了重要作用。在碳化过程中，氮氧元素从碳骨架中脱除，导致催化剂表面形成更多缺陷，这些缺陷为反应提供了更多的活性位点，同时提高了催化剂的导电性和稳定性，从而增强了催化反应的效率，尤其是在二电子氧还原反应（2e
-
ORR）中。
图3
NO-DC
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催化剂在模拟海水环境中展现了优异的电催化性能。其起始电位（E
0
）约接近0.6 V（vs. RHE），并且在氧还原反应中表现出了高达94.5%的选择性，显著超过了目前采用相同方法处理的商业碳材料。这一性能在近年来报道的中性材料中处于领先水平，为海水电化学应用提供了强有力的支持。
图4
通过对比NO-DC
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催化剂在NaClO
4
和NaCl溶液中的电催化活性与选择性的变化，以及活性位点对Cl
⁻
离子吸附强度的分析，研究表明该催化剂表现出良好的耐氯性。尽管氯离子在电解质中可能会对催化剂的性能产生不利影响，但NO-DC
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依然保持了较高的催化活性和选择性，说明其在含氯环境中的稳定性优越。通过DFT计算，研究还揭示了石墨氮和羟基基团作为活性位点在ORR反应中的重要作用，这些基团有助于提升催化剂的电催化性能，促进氧还原反应的进行。整体而言，NO-DC
700
催化剂不仅具备高效的电催化活性，还展现了在富含氯离子环境中的优异稳定性，为海洋和含氯环境中的能源转化应用提供了新的材料选择。
图5
NO-DC
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催化剂在模拟海水中展现出卓越的电合成过氧化氢（H
2
O
2
）性能。其反应电流可达到400 mA，产率高达4997 mg L
-1
h
-1
，并且接近100%的法拉第效率，显示出极高的电催化活性和效率。值得注意的是，即使在空气条件下，NO-DC
700
催化剂也能高效合成过氧化氢，产率仍能保持在3000 mg L
-1
h
-1
。此外，在超过200
mA的电流密度下，NO-DC
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催化剂能够稳定运行20小时，期间过氧化氢浓度积累至4.1 wt.%，证明了其在长时间、高电流条件下的稳定性和大电流下持续运行能力。这些结果表明，NO-DC
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催化剂在海水环境中用于合成过氧化氢具有巨大的应用前景，尤其在可持续能源和水处理等领域。
图6
NO-DC
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催化剂在过氧化氢（H
2
O
2
）合成方面的优异性能为其在海水综合治理中的应用提供了新的机遇。通过将生产的过氧化氢与电芬顿技术相结合，实现了有机物的快速降解和海洋藻类的高效灭活。电芬顿反应利用过氧化氢和铁离子生成羟基自由基（·OH），能够有效降解水中的有害有机物，并对海洋藻类等生物进行高效灭活。这一策略不仅提高了海水处理效率，还为海洋污染治理提供了新的解决方案。NO-DC
700
催化剂在合成过氧化氢的过程中展现出的高产率和稳定性，使其在海水环境中发挥了重要作用，进一步证明了其在海水综合治理中的巨大应用潜力。
NO-DC
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催化剂，通过自掺杂的氮氧元素和丰富的缺陷结构，表现出在海水环境中高效的氧还原反应（ORR）性能，优异的氯耐性、稳定性和高法拉第效率。同时，其与电芬顿技术结合，不仅能够快速降解水中的有机污染物，还能高效灭活海洋藻类，进一步体现了其在海水综合治理方面的巨大潜力。未来，通过进一步优化催化剂的结构和提高其稳定性，此类催化剂有望为海水资源的高效利用和全球海洋环境保护作出重要贡献。
Xinyu Wang,
Wangqiang Shen,* Chang Zhang, Yuzhong Huang, Jian Zhang,* Jun Lv,* Xing Lu*. A
Chlorine-Resistant Self-Doped Nanocarbon Catalyst for Boosting Hydrogen
Peroxide Synthesis in Seawater. Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202419049
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