多尺度催化劑工程助力穩定、選擇性與契合碳中和的工業電合成過氧化氫

題目：Multiscale Catalyst Engineering for Stable, Selective, and Carbon-Neutral Industrial Hydrogen Peroxide Electrosynthesis

作者信息：Mengxue Yang, Zhiyong Zhao, Tianyu Zhi, Shuai Yue, Jing Li, Tian Fu, Pengfei Wang* and Sihui Zhan*

DOI：10.1002/cnl2.70017

鏈接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70017

第一作者：楊夢雪

通訊作者：展思輝 王鵬飛

單位：南開大學、天津大學

研究背景

在全球氣候危機加劇的背景下，碳中和已成為迫在眉睫的全球目標。盡管化石燃料推動了經濟社會發展，但其大規模使用導致大量溫室氣體排放，引發全球變暖與極端天氣頻發。當前工業過氧化氫（H2O2）年產量達400萬噸，主要依賴高能耗、高排放的蒽醌法，伴隨著大量CO2排放。雖然光催化、壓電催化等新興技術為小規模H2O2合成提供了可能，但其效率低下制約了工業化應用。電催化兩電子氧還原反應（2e- ORR）通過直接利用可再生電能將氧氣轉化為H2O2（0.7 V vs. RHE），展現出巨大潛力。與傳統4e-路徑（1.76 V vs. RHE）相比，該技術能耗更低，且無需危險化學品運輸存儲。

然而，傳統電催化劑普遍面臨活性-選擇性-穩定性難以協同優化的核心挑戰，尤其在工業級電流密度下，反應中間體吸附失衡、副反應路徑競爭和催化劑失活等問題限制了其規模化應用。為了克服這些挑戰，研究者投入了大量的精力來設計先進的電催化劑，這些催化劑結合了高活性、卓越的耐用性和成本效益。然而以往的綜述主要集中在單個催化劑類別的合成方法上，但它們缺乏不同改性策略的系統比較和機制統一，例如雜原子摻雜，缺陷工程和表面功能化，從而模糊了控制2e- ORR的基本“結構-性能”相關性。優化催化劑設計是提高2e- ORR電催化性能的關鍵。本綜述通過整合跨原子級結構調制（如摻雜）、中尺度質量輸運優化（如分層多孔結構）和宏觀系統集成（如膜電極組裝工程）的多尺度修飾策略，彌補了這一關鍵空白。對于電子結構調控、摻雜、合金化和缺陷工程等，可以精確調整催化劑的電子性質，為提高催化活性奠定基礎。在表面性能調節方面，表面改性和化學環境優化提高了反應物相互作用和反應效率。形態結構調控中的形態控制和催化膜設計為催化劑性能優化提供了宏觀和微觀兩方面的新視角。通過中試放大和產業鏈協同，驗證技術成熟度，最終實現從“實驗室創新”到“產業革命”的跨越。通過對這些方面的系統探索，旨在為高性能2e- ORR催化劑的開發提供有價值的參考，推動能源的可持續發展達到新的水平。

成果介紹

天津大學展思輝教授與南開大學王鵬飛副教授團隊系統總結了電催化兩電子氧化還原合成過氧化氫在催化劑設計、機理解析及系統集成中的突破性進展，提出通過多尺度工程策略實現選擇性與穩定性的協同提升。研究團隊通過原子級電子結構調控（如雜原子摻雜、合金化、缺陷工程）優化*OOH中間體吸附能，結合表面功能化與疏水性控制構建高效三相界面，并利用層級化結構與約束效應提升工業條件下的長期穩定性。該成果以“Multiscale Catalyst Engineering for Stable, Selective, and Carbon-Neutral Industrial Hydrogen Peroxide Electrosynthesis”為題發表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮點

1、電子調制、表面功能化和疏水控制的原子級工程，通過精確調節*OOH吸附能和抑制4e-途徑，實現> 95%的H2O2選擇性。

2、構建疏水-親水梯度結構，通過約束效應和界面工程構建疏水-親水梯度結構。

3、結合原位表征與機器學習模擬，揭示活性位點動態演化與失活機制。

4、提出“材料基因組-模塊化反應器-生命周期評估”多學科路線圖，推動實驗室成果向產業革命轉化。

本文要點

要點一

催化劑設計的多尺度策略

圖1：2e- ORR優化方案及相應的競爭反應體系。

圖1展示了優化的2e- ORR反應路徑與競爭性4e-路徑的對比。通過原子級電子調控（如N摻雜碳材料）和表面功能化（如疏水涂層），精確控制O2吸附構型（Pauling型vs. Griffiths型），抑制O-O鍵斷裂，定向生成H2O2。

圖2：(a)三相界面方案，包括(b)表面電子結構調制和(c)表面修飾。

圖2解析了三相界面（氣-液-固）設計的關鍵作用：疏水微環境促進O2富集，親水通道保障質子傳輸，層級孔結構加速產物脫附，避免局部pH波動導致的副反應。

圖3：催化劑的電子結構調控2e- ORR方法及性能。

圖3對比了不同摻雜策略對催化性能的影響。例如，硫摻雜碳（Thiophene-S）通過邊緣活性位點暴露和電荷再分布，顯著提升選擇性至93%；而雙雜原子（N/S/B）協同摻雜進一步優化電子結構，實現寬電位窗口（0.2–0.7 V vs. RHE）內>90%的H2O2產率。

要點二

工業級穩定性提升

圖4：催化劑的表面性質調控過氧化氫合成性能和機理圖。

圖4展示了疏水氣體擴散電極（GDE）在200 mA cm-2下的長期穩定性（>200小時）。微裂紋結構設計兼顧O2擴散與液態水排出，避免電極“水淹”，同時結合Fe基氧化還原中心清除腐蝕性自由基，維持界面結構完整性。

圖5：催化劑的形態和結構調控過氧化氫合成性能和機理圖。

圖5展示了不同結構形態的催化劑優化過氧化氫合成的過程。通過模板輔助法和自組裝工藝等先進的合成策略，可以實現催化劑形態的精確工程，不僅可以增加可達活性位點的密度，還可以優化反應物和產物的質量傳遞途徑，從而提高H2O2的生產效率和選擇性。

圖6：電催化膜調控高效、穩定合成過氧化氫。

圖6展示了催化膜利用高表面積、優化的三相界面，即使在高電流密度下，也能通過2e- ORR途徑高效、選擇性地生產H2O2。同時空心結構親水層和污染物改性表面等創新進一步提高了性能，為電催化應用提供了可擴展和可持續的解決方案。

要點三

系統集成與碳中和路徑

圖7：可持續電催化生產H2O2生態系統展望圖。

圖7提出可持續H2O2生產生態系統的多維度藍圖：從原子級催化劑動態優化、低碳合成工藝到分布式可再生能源耦合，最終實現“大氣O2→H2O2→環境修復”的閉環循環，推動化工生產與全球凈零目標深度協同。

本文小結

本研究通過多尺度催化劑工程與系統集成創新，解決了電催化H2O2合成中活性-選擇性-穩定性的長期矛盾，為替代傳統高碳工藝提供了科學基礎與技術路線。未來研究需聚焦原子級動態活性位設計、規模化制備工藝及可再生能源耦合系統，加速實現從“實驗室創新”到“產業革命”的跨越，推動能源化學邁向碳中和新時代。

作者介紹

第一作者

楊夢雪

南開大學環境科學與工程學院博士研究生，導師展思輝教授。

通訊作者

王鵬飛

南開大學環境科學與工程學院副教授。天津市青年科技人才。研究領域為水環境污染控制、環境催化。近年來，針對抗生素、內分泌干擾物、藻毒素、微塑料等新污染物，在環境功能材料定向研發、控制技術理論創新、設備開發等方向開展一系列研究工作。以第一或通訊作者在SCI期刊PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Environ. Sci. Technol.、Water Res.、 Adv. Funct. Mater 和App1.Cata1.B:Environ.等發表學術論文63篇。

通訊作者

展思輝

天津大學講席教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，現任天津大學環境科學與工程學院院長。長期致力于環境化學、環境工程、新污染物防控新策略研究等工作，在環境污染物的高效去除與資源化方面積累了豐富的經驗。主持國家自然科學基金和天津市科技支撐重點專項等項目20余項。以第一或通訊作者在PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Environ. Sci. Technol.等國內外頂尖刊物發表100余篇論文。

期刊介紹

發 展 歷 程

Carbon Neutralization是溫州大學與Wiley共同出版的國際性跨學科開放獲取期刊，立志成為綜合性旗艦期刊。期刊于2022年創刊，名譽主編由澳大利亞新南威爾士大學Rose Amal院士擔任，主編由溫州大學校長趙敏教授和溫州大學碳中和技術創新研究院院長侴術雷教授擔任，編委會由來自10個國家和地區的26名國際知名專家學者組成，其中編委會19位編委入選2024年度全球“高被引科學家”。且期刊已被ESCI、DOAJ數據庫收錄。

Carbon Neutralization重點關注碳利用、碳減排、清潔能源相關的基礎研究及實際應用，旨在邀請各個領域的專家學者發表高質量、前瞻性的重要著作，為促進各領域科學家之間的合作提供一個獨特的平臺。

在線投稿

wiley.atyponrex.com/journal/CNL2

期刊編輯部

carbon-neutralization@wzu.edu.cn.

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