【原】上海交通大学赵一新&钱旭芳Angew：电化学反应器连续生产H2O2！

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研究内容

过氧化氢(H2O2)是一种绿色高效的氧化剂，在纺织漂白、环境修复、化学合成、消毒等方面有着广泛的应用，特别是在2019冠状病毒病(COVID-19)大流行背景下，它是一种比含氯氧化剂更有效、更环保的消毒化学剂。全球H2O2产量在2015年达到550万吨，到2022年将进一步增长到650万吨。此外，全球H2O2需求量仍呈上升趋势，甚至远远超过目前的400万吨/年的水平。

目前，绝大多数H2O2是通过蒽醌反应产生的，即2-烷基-9,10-蒽醌在有机溶剂上Pd催化剂上加氢，得到的二氢蒽醌再被O2快速氧化生成H2O2，同时蒽醌再生这些间歇工艺提供了大量高浓度过氧化氢水溶液，而常用的H2O2浓度通常远低于30%，Fenton反应处理废水的浓度甚至低于1%。因此，溶剂萃取、稳定性、运输和储存成本高的风险不符合绿色经济。一种流行的替代方法是在贵金属催化剂上由气态的H2和O2直接合成H2O2然而，H2和O2的混合物需要额外的安全系统，以避免在较大的成分范围内(4-94mol % H2)发生爆炸的风险，这使得它不适合大规模生产。针对上述两种方法的不足，推动了现场分散生产低浓度H2O2的技术发展

电化学生产工艺为在常温常压下电还原O2和电氧化H2O或H2生产H2O2提供了一条环保、经济的途径在阳极发生的2e-水氧化反应(WOR)生产H2O2的性能还远远没有达到实际水平。因此，近年来的研究主要集中在提高2e-氧还原反应(ORR)催化剂的效率上，但长期稳定性是一个主要的挑战。此外，适合实际规模应用的电化学反应器和工程系统的研究仍处于初级阶段。

近日，上海交通大学赵一新教授研究团队在Angewandte Chemie International Edition上发表综述文章，题目为“Electrochemical reactors for continuously decentralized H2O2 production”。本文主要以液流式反应器代替固定腔体为例，分析了用于过氧化氢分散化连续生产的电化学反应装置的组成和优化设计思路。

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研究要点

作者首先详细介绍了H2O2电合成的发展过程。

接着对阴极和阳极电催化剂的基本机理和影响因素进行了详细的综述，并对电催化剂的设计提出了一些见解和展望。

最后分析了各组分的组成(催化剂、离子交换膜和流场板)、组装要点和可能的发展趋势，讨论了系统集成反应器可能的性能评估和结构优化，主要是受燃料电池的光、电解水系统和电化学反应的流电池过程的启发。

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研究图文

图1. H2O2电合成装置的发展历史。

图2. (a)连续分散生产H2O2的典型电化学装置的工作原理; (b)真实的流单元组件照片。

图3. (a) H2O2电合成用电催化剂综述; (b) H2O2电合成电催化剂性能火山图。

图4. H2O2电合成装置的研制。

图5. 以绿色电为动力的H2O2电合成电化学电池。

为了实现过氧化氢的电合成工业化生产，人们一直致力于电化学反应器的设计和工程。然而，实际规模的过氧化氢电合成体系的构型仍处于初级阶段，未来的研究方向应集中在以下几个方面:

1. 增强催化剂和相应电极的稳定性和耐久性，如:在催化剂中引入杂原子(如B、N、P或S)，提高催化活性位点在电场作用下的活性或稳定性;将精心设计的催化剂与优化的衬底杂交，甚至形成整体催化剂，提高了实际水平的稳定性和相应的性能;优化催化剂层和电极基板结构，提高GDE的强度和耐用性;

2. 开发具有HO2-传导特性的阴离子交换膜，以及在过氧化氢存在的强氧化条件下具有优良降解性能的膜(指质子和阴离子交换膜);

3.通过在界面接触处的流场中引入障碍物或间隔物来改善系统级集成的传质;通过计算和实验方法评估和筛选具有充分传质的优化设计;

4. 抑制产物过氧化氢的分解，从而减少储存和传输造成的损失;

5. 将单个电池压缩在一起形成电池堆，以提高燃料电池堆的生产率。

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文献详情

Electrochemical reactors for continuously decentralized H2O2 production

Yichan Wen, Ting Zhang, Jianying Wang, Zhelun Pan, Tianfu Wang, Hiromi Yamashita, Xufang Qian,* Yixin Zhao*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202205972