清華新聞網(wǎng)3月11日電 過(guò)氧化氫（H2O2）是全球100種最重要的化學(xué)品之一，被廣泛應(yīng)用于漂白、有機(jī)合成、水處理、清潔消毒等領(lǐng)域。木質(zhì)素是自然界中最豐富的芳香類(lèi)聚合物和生產(chǎn)生物能源及碳基材料的重要可再生原料，廣泛存在于維管植物細(xì)胞壁中，在工業(yè)上常作為制漿造紙和生物煉制過(guò)程的副產(chǎn)品被獲得。近日，清華大學(xué)化工系趙雪冰課題組提出了以木質(zhì)素為碳基催化劑前體和電子供體，以空氣為氧源合成過(guò)氧化氫的新途徑，為木質(zhì)素的資源化、能源化轉(zhuǎn)化以及過(guò)氧化氫的原位分布式制取提供了新的思路。研究團(tuán)隊(duì)以木質(zhì)素為碳前體制備出氧氣二電子還原的碳基催化劑，結(jié)合使用電子介體促進(jìn)木質(zhì)素電子向電極傳遞的速率，并以課題組前期開(kāi)發(fā)的直接木質(zhì)素燃料電池為電源供給，構(gòu)建出實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素內(nèi)生電子向空氣氧傳遞高效制備過(guò)氧化氫的耦合新體系（圖1）。該耦合體系以氧氣氧化木質(zhì)素的反應(yīng)Gibbs自由能變?yōu)轵?qū)動(dòng)力，以木質(zhì)素內(nèi)源性電子為還原力，從而無(wú)需額外的電能輸入。
圖1.以空氣為氧源、木質(zhì)素為綠色碳基前體和電子供體的過(guò)氧化氫電化學(xué)合成新體系
研究團(tuán)隊(duì)以木質(zhì)素為碳前體、納米SiO2為硬模板，通過(guò)熱解法制備出B、O摻雜的碳基催化劑。該催化劑展現(xiàn)出優(yōu)秀的催化活性、過(guò)氧化氫分子選擇性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性（超過(guò)120小時(shí)），以及出色的過(guò)氧化氫產(chǎn)率（11812 mmol g?1h?1）。此外，為降低傳統(tǒng)電解體系中陽(yáng)極析氧反應(yīng)需要較高電位以及氧氣附加值低等缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)以木質(zhì)素氧化反應(yīng)代替析氧反應(yīng)，并篩選出鐵氰根作為電子介體促進(jìn)電子傳遞的動(dòng)力學(xué)速率，使得電解能耗降低了11.4%。進(jìn)一步以直接木質(zhì)素燃料電池為電能供給，構(gòu)建出無(wú)需外界電能輸入的自供電耦合體系，實(shí)現(xiàn)以空氣為氧源高效制備過(guò)氧化氫，總電子傳遞效率達(dá)93.7%（圖2）。該工作可為木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化利用和過(guò)氧化氫的高效電化學(xué)合成提供新的途徑。
圖2.木質(zhì)素為電子供體的過(guò)氧化氫電化學(xué)合成耦合系統(tǒng)及其電化學(xué)性能
相關(guān)研究成果以“空氣和木質(zhì)素自供電電化學(xué)合成過(guò)氧化氫”（Self-powered electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from air and lignin）為題，于3月7日在線(xiàn)發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）。
清華大學(xué)化工系2022級(jí)博士生李雍容、化工系2018級(jí)博士生歐陽(yáng)鐙浩（已畢業(yè)）為論文第一作者，化工系副教授趙雪冰為論文通訊作者。其他合作者包括清華大學(xué)化工系2021級(jí)博士生劉樨、2023級(jí)博士生張逸晨，化工系副教授牛志強(qiáng)，以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授潘學(xué)軍（Xuejun Pan）。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D4EE06106C
供稿：化工系
編輯：李華山
封面圖設(shè)計(jì)：賀茂藤
審核：郭玲
