天大成功開發(fā)綠色雙氧水高效電催化劑

近日，天津大學(xué)對外宣布，該校材料與工程學(xué)院梁驥教授團(tuán)隊通過獨特的層間氫鍵設(shè)計，成功開發(fā)出一種高性能電催化劑，實現(xiàn)了綠色過氧化氫的高效合成，且有望實現(xiàn)“即產(chǎn)即用”。相關(guān)研究發(fā)表于期刊《自然·通訊》。

過氧化氫作為重要的氧化劑和消毒劑，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療和環(huán)保領(lǐng)域，2024年全球需求量高達(dá)600萬噸。然而，目前95%的過氧化氫依賴高能耗的蒽醌法生產(chǎn)，不僅存在安全隱患，還會造成環(huán)境污染。開發(fā)綠色、高效、可持續(xù)的過氧化氫合成方法是科學(xué)界和工業(yè)界的共同目標(biāo)。其中，電化學(xué)合成技術(shù)能直接利用氧氣和水生成過氧化氫，可在常溫常壓下生產(chǎn)，有望實現(xiàn)過氧化氫“即產(chǎn)即用”的理想目標(biāo)。但長期以來，催化劑在中性和堿性環(huán)境中活性低、選擇性差、穩(wěn)定性不足，制約了該技術(shù)的實際應(yīng)用。

為解決上述難題，梁驥團(tuán)隊研發(fā)了一種鎳基金屬有機(jī)框架材料。該材料具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)，使鎳活性中心與相鄰層的氨基基團(tuán)形成“層間氫鍵”。該效應(yīng)猶如一把“分子鑰匙”，使該材料對于電合成過氧化氫的催化能力精準(zhǔn)匹配理論最優(yōu)值，既保證了反應(yīng)活性，又大幅抑制了副反應(yīng)發(fā)生。與傳統(tǒng)催化劑依賴金屬中心電子結(jié)構(gòu)調(diào)控不同，研究團(tuán)隊通過設(shè)計材料的分子堆積方式，利用氫鍵等非共價鍵作用力，實現(xiàn)了對催化反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。這種“非配位結(jié)構(gòu)調(diào)控”策略為新型電催化材料的研發(fā)提供了嶄新的思路，未來可拓展應(yīng)用于更多化學(xué)反應(yīng)體系。

測試表明，在中性和堿性環(huán)境中，該催化劑制備過氧化氫的產(chǎn)率遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。在人工海水中，該催化劑制得的過氧化氫質(zhì)量濃度可快速積累到1%，而在堿性溶液中則可快速積累到3%，均達(dá)到了污染物降解、殺菌等需求的實用標(biāo)準(zhǔn)。例如，利用該材料在生理鹽水中制備過氧化氫僅30分鐘后即可對大腸桿菌等致病菌實現(xiàn)100%的殺滅率，并對毒性有機(jī)染料實現(xiàn)快速降解。

這種新型催化劑，不僅有望破解傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝高能耗、高污染難題，還在中性和堿性環(huán)境以及復(fù)雜水質(zhì)中展現(xiàn)出良好的適用性。目前，研究團(tuán)隊正在優(yōu)化制備工藝，推動技術(shù)從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)線，力爭早日實現(xiàn)對傳統(tǒng)高污染工藝的替代，助力綠色化工目標(biāo)實現(xiàn)。