目前，H2O2完全由蒽醌法產(chǎn)生，這需要大量的能源投入。電化學(xué)雙電子氧還原反應(yīng)(ORR)過程是一種溫和、安全的H2O2生產(chǎn)方法。且堿性條件下H2O2的電催化合成已經(jīng)得到了廣泛的研究，使用碳基催化劑可以獲得良好的性能。由于H2O2在酸性溶液中穩(wěn)定(相對于在堿性中的自分解)，并且具有高氧化能力，在酸性條件下生產(chǎn)H2O2是可取的。
最近，在pH約2-4下耦合的電-Fenton過程被用來實現(xiàn)甘油和乙烯的轉(zhuǎn)化，證明了在酸中原位生成H2O2的優(yōu)越性。但是，目前仍缺乏在酸性介質(zhì)中有效和選擇性的催化劑，特別是在大過電位和高電流密度下，這阻礙了酸性H2O2生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展。近日，清華大學(xué)牛志強(qiáng)課題組根據(jù)理論計算篩選，通過大環(huán)前體介導(dǎo)的方法制備了一種雙原子鈷催化劑(Co2-DAC)，并研究了其在酸性H2O2電合成中的性能。理論計算和原位光譜實驗表明，在Co的配位球中引入第二種金屬可以使其d帶中心下移，減弱*OH和*HOOH的結(jié)合，從而阻止O-O鍵的斷裂，抑制H2O2的深度還原。電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示，Co2-DAC在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出高H2O2選擇性(>95%)和高部分電流密度(2.7 mA cm?2)，并且其在流動池中400 mA cm?2下的H2O2產(chǎn)率高達(dá)11.72 mol gcat?1 h?1，在廣泛的電流密度范圍內(nèi)的長期穩(wěn)定性達(dá)到100小時。此外，還展示了原位電合成H2O2在塑料降解中的應(yīng)用。具體而言，將H2O2的生產(chǎn)和塑料解聚高級氧化工藝(AOP)結(jié)合起來，用10 mL電解質(zhì)(1wt% H2O2，在200 mA cm-2下電解10小時后)處理250 mg磺化對聚苯乙烯(PS)。根據(jù)溶解有機(jī)碳(DOC)測試結(jié)果，聚苯乙烯在光照下的礦化度約為98%，證明了電合成H2O2處理塑料廢棄物的AOP工藝的有效性。綜上，該項工作為酸性H2O2電合成提供了一種有效的催化劑，推動了低成本和原位生產(chǎn)H2O2的進(jìn)一步發(fā)展。Enhancing H2O2 electrosynthesis at industrial-relevant current in acidic media on diatomic cobalt sites. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c02031
