過氧化氫被廣泛用作防腐劑、洗滌劑、化妝品、漂白劑和水淨化劑，但其商業合成仍然需要濃縮和純化步驟。該化合物可在工業濃度下用水制成高達60％的溶液，但在許多常見用途中，溶液的稀釋度要高得多。因此過氧化氫的商業化應用還面臨很多的挑戰！

2019年10月11日，世界頂級期刊《Science》在線發表題為“Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte”的研究文章。該研究成果是一種直接由氫和氧合成純過氧化氫溶液的電化學方法，可簡單表示為氫氣 氧氣 空氣 太陽=過氧化氫。

萊斯大學作為論文的第一通訊地址、化學與生物分子工程系的Haoting Wang教授作為通訊作者，博士夏川和夏洋作為第一作者分享了該理論成果。該研究成果的創新點：僅僅需要空氣、水和電就可以以所需的濃度和高純度制備有價值的化學物質。該團隊使用了一種基于氧化碳納米粒子的催化劑。可以在使用時直接合成過氧化氫溶液，而無需運輸危險的濃縮化學物質。通過固态電解質，避免目标溶液受到外來離子的污染；通過調節流經電化學電池的水的流速從而調節最終産物過氧化氫的濃度範圍為0.3％至20％。是直接由氫和氧合成純過氧化物溶液的電化學方法。

研究預覽：過氧化氫（H2O2）的合成通常需要大量的後反應純化。該團隊使用了一種直接電合成方法，此方法可提供獨立的氫氣（H2）和氧氣（O2）流至由多孔固體電解質組成的陽極和陰極。其中，電化學方法産生的H 和HO2-重組以形成純H2O2水溶液。該團隊通過優化雙電子氧還原的功能化炭黑催化劑，在當前密度高達每平方厘米200毫安時對純H2O2的選擇性達到了90％以上，這表示H2O2生産率為每平方厘米每小時3.4毫摩爾（每小時每公斤催化劑3660摩爾）。通過調節流過固體電解質的水流速，可以獲得高達20％（重量）的濃度範圍的純H2O2溶液，并且催化劑在100小時内保持活性和選擇性。

該論文的作者，萊斯大學的教授Haoting Wang和他的學生夏川、夏洋接受了媒體的采訪。

Haoting Wang教授說：“如果我們通過太陽能電池闆供電，我們實際上可以從陽光，空氣和水中獲得過氧化氫。”我們不需要消耗有機物或化石燃料。傳統的大型化學工廠合成過氧化氫的過程中會産生有機廢物，消耗化石燃料并且排放二氧化碳。我們正在做的是綠色合成方法、無需化學能量，不産生任何污染物。”

Haoting Wang教授說：“工業過氧化氫必須以高濃度運輸，以最大限度地提高經濟效益。” “運輸是危險且昂貴的，因為濃縮的化合物不穩定。過氧化氫也會随着時間的流逝而降解，一旦到達目的地就必須将其存儲起來。他說：“我們的技術使過氧化氫的生産非本地化。随着可再生電力的輸入變得越來越便宜，空氣變得免費，水也變得便宜，我們的産品在價格上應該具有競争力。”

“醫院不用儲存過氧化氫的容器，而是将其用作消毒劑，将來可以打開水龍頭，然後按需獲得3％的溶液。房主無需儲存化學藥品即可對遊泳池的水進行消毒，而是可以輕按一下開關，然後打開反應堆來清潔遊泳池。” Haoting Wang教授說。

過氧化氫反應堆

賴斯博士後研究員兼首席作者夏川說：“燃料電池可最大程度地減少過氧化氫的産生，從而僅以最大的能源效率生産水。就我們而言，我們想最大化過氧化氫，并且已經調整了催化劑來做到這一點。該電池反應有點類似于燃料電池，其兩邊都有電極來處理氫氣（或水）和氧氣（來自空氣），并将它們送入兩個電極上的催化劑中，該電極将離子導電性多孔固體電解質夾在中間。”

Haoting Wang教授的二年級研究生、該文章的共同主要作者Yang Xia說：“該催化劑經證實具有足夠的耐用性，可以在實驗室中連續100個小時合成1％重量比的過氧化氫純溶液，且降解程度可忽略不計。低成本的炭黑催化劑，設置在固體電解質中并被氧化以增強其反應活性，使氧氣還原途徑以所需的速率和濃度朝着所需的化學物質轉移，速率和濃度由施加的電壓，空氣和水原料以及穩定的去離子水供應确定。該反應在環境溫度和壓力下進行。”

放大的過氧化氫反應器，圖片來源：萊斯大學

“他們實驗室計劃對大型反應堆和即插即用組件進行工程設計，以期與工業合作夥伴進行測試。他認為工業規模應用（如市政淨水系統）前景廣闊。萊斯實驗室已經在校園雨水上測試了低濃度産品，并證明了其去除有機碳污染物的能力。” Haoting Wang教授說。

“在此之前，過氧化氫的電化學合成受到其産物分離或純化工藝的限制，但我們已經解決了實際應用中的巨大障礙。” Haoting Wang教授說。

DOI：10.1126/science.aay1844

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