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【催化】中山大学廖培钦JACS：首例连续电合成医用级浓度纯H2O2溶液

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-11-19 08:09

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电合成 H ₂ O ₂ 有望取代传统的工业蒽醌方法，实现小规模和本地化生产 H ₂ O ₂ 。但目前制备的 H ₂ O ₂ 溶液通常受到杂质以及产率的限制。近日， 中山大学 的 廖培钦 团队 合成了一系列具有相似结构的二维COFs材料 (BBL-PcNi，IM-PcNi和TFPN-PcNi），并系统研究它们的 2e ⁻ ORR性能及相应的催化机理。 更重要的是，该团队首次实现了连续电化学合成医用级浓度的纯 H ₂ O ₂ 溶液。

过氧化氢（ H ₂ O ₂ ）作为一种环境友好型化学品，在医药、化工等各个研究领域都得到了广泛的应用。工业上，大规模生产 H ₂ O ₂ 的方法主要依赖于蒽醌循环工艺。然而，这种方法通常只能产生原始流浓度约为1−2 wt %的 H ₂ O ₂ 溶液，需要通过后续的蒸馏步骤来达到医疗应用所需的更高浓度（>3 wt %）。此外，大量的有机污染物的伴生增加了额外的净化成本。因此，迫切需要开发可替代的途径来绕过这些低效率的生产并支持可持续的 H ₂ O ₂ 合成。近年来，电催化两电子氧还原反应（2 e ⁻ ORR）作为一种可行的替代方案出现，提供了一种在环境条件下由 O ₂ 和 H ₂ / H ₂ O直接生成 H ₂ O ₂ 的更为环保、安全的途径。

图1. 具有不同共轭程度的二维镍酞菁基COFs的构筑以及它们的HOMO−LUMO能级水平、带隙宽度。

中山大学团队构筑了一例基于镍酞菁的共价有机框架（COF，记为 BBL-PcNi ），其具有1.14 × 1 0 ⁻⁵ S• m ⁻¹ 的高固有电导率，能够在3.5 V的低电池电压下，以530 mA•c m ⁻² 的超高电流密度和接近100%的 H ₂ O ₂ 选择性工作。值得注意的是，这种高水平的性能在200小时的连续运行中基本保持不变。

图2. 流动池中的2 e ⁻ ORR性能。

当集成到放大的膜电极组件电解槽中， BBL-PcNi 可以连续生产具有医疗级浓度（~3.5 wt %）的纯 H ₂ O ₂ 溶液，这比先前报道的催化剂至少高3.5倍。

图3. 膜电极组件电解槽中的2 e ⁻ ORR性能以及杀菌实验。

通过对中山大学湖水中的细菌进行了抑菌试验，结果表明，利用 BBL-PcNi 合成的高纯度 H ₂ O ₂ 溶液具有强效抑菌的活性。

图4. 机理研究。

机理研究表明，增强 π 共轭以降低整合到COF中的分子催化位点的带隙更有效地增强了其固有的电子传输能力，从而显著提高了 H ₂ O ₂ 生成的电催化性能。

这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中山大学博士研究生 张梦迪 和博士研究生 黄嘉润 。

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Continuous Electrosynthesis of Pure H ₂

【催化】中山大学廖培钦JACS：首例连续电合成医用级浓度纯H2O2溶液

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