清華新聞網(wǎng)12月4日電 過氧化氫（H2O2）是現(xiàn)代化學工業(yè)的基石之一，同時也是潛在的能源載體，具有廣泛的應(yīng)用范圍，例如增值化工產(chǎn)品合成以及清潔水生產(chǎn)等。電化學雙電子氧還原反應(yīng)（2e?ORR）代表了一種經(jīng)濟且可持續(xù)的分布式按需生產(chǎn)H2O2的未來戰(zhàn)略，適用于從大規(guī)模化學品生產(chǎn)到小型便攜式衛(wèi)生設(shè)施的潛在應(yīng)用。氣體擴散電極（GDE）被公認為是目前最有前途的2e?ORR電極架構(gòu)平臺，其允許氣態(tài)反應(yīng)物直接從供給端輸送至反應(yīng)性氣-液-固三相界面（TPI）而無需預(yù)先溶解到電解質(zhì)中。然而，由于高電流密度操作條件下的快速電潤濕對氣體擴散電極反應(yīng)性三相界面造成的破壞性淹沒，使得H2O2電合成工藝的工業(yè)轉(zhuǎn)化面臨選擇性低和耐久性差的重大挑戰(zhàn)。
近日，清華大學深圳國際研究生院張正華副教授團隊合作通過對商業(yè)碳顆粒組裝的傳統(tǒng)平面電催化劑薄膜進行結(jié)構(gòu)上的非連續(xù)化斷裂處理，展示了具有自曝氣功能的抗電潤濕碳膜電極的創(chuàng)新概念。在涂覆制造的炭黑-聚四氟乙烯活性層中形成的致密貫穿型微裂紋呈現(xiàn)出反直覺的強大水下疏水性。這種疏水性通過操縱微環(huán)境處的氧氣濃度梯度允許氧氣自驅(qū)動從開放空氣持續(xù)擴散到活性界面，同時使電極能夠以前所未有的選擇性（>97%）和耐用性（>200小時）在工業(yè)相關(guān)電流密度（100–300 mA/cm2）下穩(wěn)定運行而不會出現(xiàn)故障。COMSOL仿真、水淹驅(qū)動力計算和表面微結(jié)構(gòu)分析表明，裂紋介導(dǎo)的抗電潤濕效應(yīng)的根本機制源于局部電場減小、毛細管壓力不足和內(nèi)表面粗糙度增加。團隊基于該研究成果成功組裝了基于雙氧水原位電合成的水處理裝備，在高鹽抗生素廢水和河道修復(fù)方面展現(xiàn)出一定的應(yīng)用前景。所展示的具有自曝氣功能的抗電潤濕碳膜對于開發(fā)用于工業(yè)規(guī)模H2O2電合成的下一代廉價且可擴展的無金屬電極非常有潛力，并有望加強對廣譜電化學耗氣反應(yīng)中電極界面結(jié)構(gòu)與潤濕性、產(chǎn)物選擇性及運行耐久性之間規(guī)律的掌握和科學認識，為促進化學合成工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型、助力“雙碳”戰(zhàn)略目標實現(xiàn)提供技術(shù)和理論儲備。
圖1.傳統(tǒng)浸沒式、結(jié)構(gòu)連續(xù)（CCP）和結(jié)構(gòu)非連續(xù)（DCP）碳膜電極及其在高電流密度下的水下工作機制示意圖
圖2.裂縫介導(dǎo)的抗電潤濕效應(yīng)和強化的雙電子氧還原反應(yīng)性能
圖3.裂縫參數(shù)的優(yōu)化以及疏水性和自曝氣驅(qū)動力之間關(guān)系的闡明
圖4.結(jié)構(gòu)非連續(xù)介導(dǎo)的抗電潤濕機制解析
圖5.結(jié)構(gòu)非連續(xù)式抗電潤濕碳膜電極概念的通用性和實用性
相關(guān)研究以“用于工業(yè)H2O2電合成的自曝氣抗電潤濕碳膜電極”（Anti-electrowetting carbon film electrode with self-sustained aeration for industrial H2O2 electrosynthesis）為題，近期發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）期刊上。
清華大學深圳國際研究生院張正華副教授為論文通訊作者，南京工業(yè)大學化工學院景文珩教授為論文共同通訊作者，清華大學深圳國際研究生院為第一完成單位。清華大學深圳國際研究生院博士后崔樂樂、江蘇雙良環(huán)境科技有限公司陳斌博士、南京工業(yè)大學張龍順碩士為論文共同第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、深圳市基礎(chǔ)研究計劃項目等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D3EE03223J
供稿：深圳國際研究生院
題圖設(shè)計：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
