Science重磅：颠覆传统！固态电解质中直接高效合成H2O2

研究背景

双氧水（H₂O₂）是一种重要的、常用的化工试剂，目前采用传统的蒽醌法制备。这种方法不仅能耗大、产率低，制备得到的H₂O₂存在杂质，需要通过提纯才能达到商用级别。以H₂和O₂的混合直接合成H₂O₂是目前具有应用前景的方法（如图1A），但是，高压H₂和O₂的直接混合具有易燃、易爆性的危险。在实际反应过程中，必须使用CO₂或N₂载气对H₂进行大量稀释，从而大大降低H₂O₂的产率。另外，使用甲醇溶剂会导致制备的纯H₂O₂水溶液仍需额外提纯。

相比之下，电合成H₂O₂可以将H₂/O₂的氧化还原反应分解为两个半电池反应（O₂ + H₂O + 2e^– → HO₂^–+ OH^–和H₂ → 2H⁺ + 2e^–），并分别在阳极室和阴极室进行，避免直接接触。但是H₂O₂产物通常是在混合物中生成，因此需要额外的分离过程以回收纯H₂O₂溶液。为了获得纯H₂O₂溶液，已经初步探索了其他设计，包括使用去离子（DI）水或聚合物电解质膜作为离子导电电解质，但是这些设计通常会遇到反应速度低，产物浓度低或法拉第效率低的问题。

成果速递

为解决上述问题，美国莱斯大学的汪淏田团队开发了一种以固态电解质直接制备纯H₂O₂溶液的方法。该方法可一步合成浓度范围高达20 wt％的纯H₂O₂溶液，而且产物无需后续的分离提纯，在200mA cm^-2电流密度下选择性高达90%。

研究者巧妙地设计了“三明治”结构的电极（催化剂-气体扩散层-离子交换膜），反应物H₂和O₂分别通过含有氢氧化（HOR）和氧还原（2e^–-ORR）催化剂的气体扩散电极，H₂被氧化成H⁺，O₂被还原成HO₂^–，再分别通过阳离子交换膜（CEM）及阴离子交换膜（AEM）进入到中心部分的多孔固体电解质中反应产生H₂O₂（如图1B），再由中间层的去离子水流带出。

其中阳极的HOR的催化剂为具有高H₂→H⁺转化率的Pt/C，阴极则以具有高比表面、低成本的含氧官能团的炭黑作为催化剂材料，中间的多孔固体电解质材料则是以磺酸基官能化的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物微球。

本文提出了一种全新的直接合成H₂O₂方法，不仅绿色安全高效，而且产物纯度高、浓度可控，有望替代传统的合成方法。

该成果以“Direct electrosynthesis of pure aqueous H₂O₂ solutionsup to 20% by weight using a solid electrolyte”为题于2019年10月11日在线发表在国际期刊Science上。

图文导读

图1 使用H₂和O₂的两种不同的H₂O₂合成方法示意图

图3 通过2e^–-ORR和水氧化电合成纯H₂O₂溶液

文献链接