寧波材料所在電化學(xué)制備過氧化氫電極設(shè)計領(lǐng)域取得進展
過氧化氫（H2O2）作為一種環(huán)境友好的高效氧化劑，在化學(xué)品合成、污水處理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)過氧化氫最主要的方法是蒽醌法，過氧化氫濃度達到70%以上時存在運輸和時效等問題。對于很多領(lǐng)域，如污水處理、紙漿漂白、生活消毒等對過氧化氫濃度的需求并不高（1%～5%），可以采用電化學(xué)催化氧氣還原合成過氧化氫的方法。基于課題組的前期研究（Nature Catalysis, 2018, 1, 156；Nature Communications, 2020, 11, 5478），研究人員發(fā)現(xiàn)除了高效催化劑開發(fā)外，為了滿足電化學(xué)H2O2合成所需的高電流密度，該電極還需要具備大量穩(wěn)定的三相反應(yīng)接觸線。然而在不斷通過電化學(xué)生成H2O2過程中，原位高濃度H2O2會導(dǎo)致碳電極表面氧化，進而腐蝕三相接觸線，導(dǎo)致催化電流密度不斷減小進而失效。
針對電極表面易受H2O2產(chǎn)物氧化腐蝕問題，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陸之毅團隊聯(lián)合陳亮研究員團隊，設(shè)計合成了一種具有微納米結(jié)構(gòu)的鎳氧碳自支撐電極，進一步通過表面修飾，使得電極表面具有“超親氣”特性和一定厚度的“三相接觸緩沖層”。在電化學(xué)氧氣還原合成過氧化氫反應(yīng)過程中，該“超親氣”特性可以加快反應(yīng)電流密度增速，同時“三相接觸緩沖層”可以有效經(jīng)受表面H2O2對于電極的腐蝕，使得電極在較長時間內(nèi)穩(wěn)定運行。電化學(xué)結(jié)果顯示，該電極具備三重優(yōu)勢：①含有原子級分散的鎳氧碳（Ni-O-C）催化劑在中性介質(zhì)中同時具備高活性和高反應(yīng)選擇性（＞90%）；②電極的“超親氣”特性增加了反應(yīng)物氧氣的傳輸速度，使得工作電流密度比傳統(tǒng)電極高1倍（＞100 mA/cm2）；③電極的耐H2O2氧化腐蝕特點使得電極在靜態(tài)測試體系具備超過200小時的穩(wěn)定工作時間，相比傳統(tǒng)電極高1個數(shù)量級。
進一步研究人員將自支撐超親氣電極直接應(yīng)用于染料降解和有機物污水處理，不論是靜態(tài)的反應(yīng)電解池降解還是流動電解槽降解，該電極都能夠高效、穩(wěn)定地處理。該工作發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c01468），得到了寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項（2020Z059和2020Z107）、博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20190339）、博士后基金（2019M662127和2019M662124）等的支持。
圖1 自支撐-超親氣電極與滴涂電極的表面親氣性表征
圖2 材料精細結(jié)構(gòu)表征，Ni-O-C單原子活性位點表征
圖3 催化劑及電極的活性和穩(wěn)定性表征
圖4 染料及有機物降解
（新能源所 徐雯雯）