为了提高电化学
H
2
O
2
的生成效果，目前的方法主要集中于提高阴极的
ORR
催化活性和优化阴极结构。已开发出一系列具有合适
*OOH
中间体结合能的电催化剂，如贵金属基催化剂（
Pt-Hg
、
Au-Pd
、
Pt/TiC
等），非金属碳基催化剂（氮掺杂碳、氧化
CNT
等）和
M-N-C
单原子催化剂（
Co-N-C
、
Ni
3
(HITP)
2
、
Fe-CNT
等），以提高
2e
-
ORR
活性和选择性。
尽管在提高催化剂活性和优化阴极传质方面做出了这些重要努力，但昂贵的离子交换
(IX)
膜的使用仍然限制了
H
2
O
2
的经济和可持续生产，进一步限制了其在资源匮乏或偏远地区的应用。由于
H
2
O
2
很容易在阳极上氧化为
O
2
，
因此必须使用
IX
膜将离子传输与
H
2
O
2
分开。然而，阳离子离子交换膜（
CEM
）相对昂贵。此外，这些膜易受复杂水质条件的影响，其离子传导性能会随时间推移而下降，实际应用中定期更换膜的成本相当高。先前避免使用离子交换膜的一种方法是基于电芬顿技术，其中阳极和阴极位于同一室内。是由于阳极处的
H
2
O
2
氧化、阴极处的
H
2
O
2
还原和
H
2
O
2
分解
,
得到的
H
2
O
2
低浓度低
,
。因此，需要采取替代策略来避免这些消耗反应，以便在电解质中实现高浓度的
H
2
O
2
。
北京大学杨武霖研究员团队
开发了一种气泡屏蔽策略，该策略基于在电极上使用低成本聚四氟乙烯
(PTFE)
疏水多孔层
(HPL)
涂层。除了
HPL
的疏水性之外，事实证明它还能为气泡的产生提供充足的位置，同时保护电极免受
H
2
O
2
的影响，从而最大限度地减少其降解。使用无气泡屏蔽阳极相比，
H
2
O
2
的产量增
加了约
600%
。使用
HPL
涂层阳极和阴极均可在
40 mA cm
-2
下获得
10.05 ± 0.05 g L
-1
的高
H
2
O
2
浓度。配备
HPL
涂层电极的太阳能驱动消毒装置可在
60
分钟内实现
99.9%
以上
的大肠杆菌灭活率，展示了
HPL
涂层电极在资源匮乏的农村地区现场地表水消毒服务中的适用性。该系统通过消除离子交换膜提供了一种简单、低成本且实用的用途，同时启发了一种用于工业应用和农村饮用水消毒的电化学
H
2
O
2
生产实用策略。
相关研究成果2025年2月22日以“
High H
2
O
2
production in membrane-free electrolyzer via anodic bubble shielding towards robust rural disinfection
”为题发表在
Nature Communications
上。
气泡屏蔽策略
：通过在阳极和阴极上涂覆低成本的聚四氟乙烯（
PTFE
）疏水多孔层（
HPL
），形成气泡屏蔽，显著抑制了
H
2
O
2
在电解过程中的降解。这种策略使得
H
2
O
2
的产量相比未涂层电极高出了约
600%
。
高
H
2
O
2
浓度的实现
：在
40 mA cm
-2
的电流密度下，
HPL
涂层电极系统在
5
小时内实现了
10.05 ± 0.05 g L
-1
的
H
2
O
2
浓度，这是迄今为止在膜自由电解器中报告的最高浓度之一。
太阳能驱动的消毒设备
：设计了一种由商业多晶硅太阳能板驱动的膜自由电解器原型，用于现场表面水消毒。该设备在
60
分钟内实现了对代表性病原菌（如大肠杆菌）的完全灭活，适用于缺乏电力供应和卫生设施的农村地区。
长期稳定性测试
：
HPL
涂层电极在
20 mA cm
-2
的电流密度下连续运行
100
小时，
H
2
O
2
的产量保持稳定，电流效率为
75 ± 4%
，显示出良好的稳定性。
经济性和实用性
：通过消除昂贵的离子交换（
IX
）膜的使用，降低了系统的成本和维护需求，使得该技术更加经济实用，特别适合资源有限的农村地区。
图
1.
无涂层（
w/o HPL
）和
HPL
涂层（
w/ HPL
）阳极的示意图、表面形貌、元素组成和疏水性
图
3.
利用气泡屏蔽效应减轻阳极上的
H
2
O
2
氧化
图
4.
气泡屏蔽效应减轻阴极上的
H
2
O
2
还原
图
5.
无膜电解槽中成对
HPL
电极的性能
这项研究展示了一种创新的气泡屏蔽策略，通过在电极上涂覆低成本
PTFE
来抑制
H
2
O
2
的降解。该涂层在电极上形成一层疏水多孔层，可缓慢将气体释放到溶液中，并减轻
H
2
O
2
与电极表面的接触。气泡在
PTFE
表面形成，通过阻碍
H
2
O
2
转移到阳极反应位点，抑制了阳极
H
2
O
2
的降解。由于采用了这种涂层，与未改性阳极相比，总
H
2
O
2
产量增加了约六倍。阴极上的相同涂层也减少了
H
2
O
2
的损失，尽管程度低于阳极的损失。总体而言，这种使用
HPL
电极的方法为在无膜电解器中实现高速率和高浓度的
H
2
O
2
提供了一种实用途径。这里使用的方法可能会启发未来利用气泡微调活性物质输送的研究，并提供改进其他气体
-
水
-
电极系统的方法。
原文链接：
doi.or
g
/
10.1038/
s41467-025-57116-x
（
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）
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