清华大学深圳国际研究生院张正华团队合作在过氧化氢分布式电合成方向取得新进展
2024/03/28
486过氧化氢（H2O2）是现代化学工业的基石之一，同时也是潜在的能源载体，具有广泛的应用范围，例如增值化工产品合成以及清洁水生产等。电化学双电子氧还原反应（2e?ORR）代表了一种经济且可持续的分布式按需生产H2O2的未来战略，适用于从大规模化学品生产到小型便携式卫生设施的潜在应用。气体扩散电极（GDE）被公认为是目前最有前途的2e?ORR电极架构平台，其允许气态反应物直接从供给端输送至反应性气-液-固三相界面（TPI）而无需预先溶解到电解质中。然而，由于高电流密度操作条件下的快速电润湿对气体扩散电极反应性三相界面造成的破坏性淹没，使得H2O2电合成工艺的工业转化面临选择性低和耐久性差的重大挑战。
近日，清华大学深圳国际研究生院张正华副教授团队合作通过对商业碳颗粒组装的传统平面电催化剂薄膜进行结构上的非连续化断裂处理，展示了具有自曝气功能的抗电润湿碳膜电极的创新概念。在涂覆制造的炭黑-聚四氟乙烯活性层中形成的致密贯穿型微裂纹呈现出反直觉的强大水下疏水性。这种疏水性通过操纵微环境处的氧气浓度梯度允许氧气自驱动从开放空气持续扩散到活性界面，同时使电极能够以前所未有的选择性（>97%）和耐用性（>200小时）在工业相关电流密度（100–300 mA/cm2）下稳定运行而不会出现故障。COMSOL仿真、水淹驱动力计算和表面微结构分析表明，裂纹介导的抗电润湿效应的根本机制源于局部电场减小、毛细管压力不足和内表面粗糙度增加。团队基于该研究成果成功组装了基于双氧水原位电合成的水处理装备，在高盐抗生素废水和河道修复方面展现出一定的应用前景。所展示的具有自曝气功能的抗电润湿碳膜对于开发用于工业规模H2O2电合成的下一代廉价且可扩展的无金属电极非常有潜力，并有望加强对广谱电化学耗气反应中电极界面结构与润湿性、产物选择性及运行耐久性之间规律的掌握和科学认识，为促进化学合成工业绿色低碳转型、助力“双碳”战略目标实现提供技术和理论储备。
图1.传统浸没式、结构连续（CCP）和结构非连续（DCP）碳膜电极及其在高电流密度下的水下工作机制示意图
图2.裂缝介导的抗电润湿效应和强化的双电子氧还原反应性能
图3.裂缝参数的优化以及疏水性和自曝气驱动力之间关系的阐明
图4.结构非连续介导的抗电润湿机制解析
图5.结构非连续式抗电润湿碳膜电极概念的通用性和实用性
相关研究以“用于工业H2O2电合成的自曝气抗电润湿碳膜电极”（Anti-electrowetting carbon film electrode with self-sustained aeration for industrial H2O2 electrosynthesis）为题，近期发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）期刊上。
清华大学深圳国际研究生院张正华副教授为论文通讯作者，南京工业大学化工学院景文珩教授为论文共同通讯作者，清华大学深圳国际研究生院为第一完成单位。清华大学深圳国际研究生院博士后崔乐乐、江苏双良环境科技有限公司陈斌博士、南京工业大学张龙顺硕士为论文共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、深圳市基础研究计划项目等的资助。
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