Nature子刊：ORR电催化制双氧水！

第一作者：Hyo WonKim

通讯作者：BryanD. McCloskey

第一单位：加州大学伯克利分校（美国）

H₂O₂在造纸、电子、工业废水处理以及氧化等化工行业发挥重大作用。2015年，全球双氧水市场需求约385万吨/年，到2024年，这一数值将达到600万吨/年，市值64亿美元。

目前，双氧水的工业生产仍然采用传统的蒽醌工艺。该工艺的主要问题在于，步骤复杂，有机副产物较多，催化剂多采用Pd/Al₂O₃贵金属催化剂。除此之外，双氧水的大规模运输、存储都属于高危工种。

图1. 蒽醌法制双氧水

 

    ORR电催化制双氧水，由于其更低能耗，更低成本，正在越来越多地吸引科学家的注意。ORR电催化制双氧水，可以直接在漂白工业、酸性废水处理行业使用。

一般来说，在碱性条件下，ORR电催化制双氧水会经过以下2个反应过程：

 

 

两个反应路径都非常有效，关键是如何实现每个反应路径的催化剂的活性和选择性问题。这就必须控制电极组成，使反应过电位尽量接近零。研究人员开发了大量ORR催化剂，试图直接从O2制备双氧水，目前最好的是酸性条件下使用的Pd-Hg合金催化剂。

 

图2.各种电催化制双氧水对比

 

有鉴于此，加州大学伯克利分校的McCloskey课题组发展了一种基于还原氧化石墨烯的非贵金属催化剂，实现了高活性高选择性ORR电催化制双氧水。

 

图3. F-mrGO的ORR电催化性能

研究人员首先发展了一种规模化制备适度还原氧化石墨烯的工艺，然后在600℃条件下对少层适度还原的氧化石墨烯进行退火处理，发现适度还原的氧化石墨烯可以更高选择性生成HO₂^-，且过电位低至10 mV以下，优于现有最好的碱性催化剂。

 

图4. 电催化活性位点的确认

 

原位结构表征和原位拉曼光谱电化学表明，存在于石墨烯片层表面或边界的，和醚基团密切相关的缺陷，是主要的活性位点。

 

这项研究为直接制双氧水的提供了新的催化思路，并为碳材料电催化提供了更多新的思考。

 

Hyo Won Kim, Bryan D.McCloskey et al. Efficient hydrogen peroxide generation using reduced grapheneoxide-based oxygen reduction electrocatalysts. Nature Catalysis 2018.