突破性模块合成系统：超低能耗共生产H2O2、甲酸和氢气

通讯作者：彭娟

第一作者：余雪萍 于小夏

单位：宁夏大学

传统的膜分离电解槽存在刚性耦合、离子交换膜昂贵等问题，而基于固体氧化还原介质的模块化电化学生产系统（MEPS）虽能克服这些挑战，但因其高过电位导致工作电压高（1.50-2.89 V），能耗较大。近年来，电化学-化学（EC-C）模块系统通过结合自发化学反应，有望降低总电压，但如何实现高效多产物共生产仍具挑战。本文报道了一种基于NiCoSe₂/NF自支撑电极的EC-C模块系统，在超低电压下实现H₂O₂、甲酸和氢气的协同生产。

近日，宁夏大学彭娟教授团队在国际期刊《International Journal of Hydrogen Energy》上发表了题为“Multi-electron-mediated electrochemical-chemical modular system for efficient co-production of H₂O₂, formic acid, and hydrogen”的研究论文。该工作利用NiCoSe₂/NF作为固体氧化还原介质，构建了一种电化学-化学模块合成系统。其中，电化学模块通过氧还原反应（ORR）与介质氧化耦合生产H₂O₂，化学模块则通过甲醛氧化反应（FOR）与介质还原构建自发燃料电池，同步产出甲酸和氢气。该系统在40 mA/cm²电流密度下仅需0.87 V电压，能耗较传统MEPS降低60%，能量效率达96.24%。

系统分为电化学模块和化学模块：电化学模块将ORR（产H₂O₂）与NiCoSe₂/NF氧化配对，需外部电压驱动；化学模块利用NiCoSe₂/NF还原与FOR（产HCOOH和H₂）构建自发反应燃料电池，同时输出电能。这种设计通过多电子转移介质避免了SRM过电位损失，总电压低至0.87 V。

NiCoSe₂/NF自支撑电极在0.93-1.58 V（vs. RHE）窗口内呈现对称氧化还原峰，在0.2 A/g电流密度下比容量达265.6 mAh/g，循环100次后容量保持率超82%。DFT计算表明，其高态密度近费米能级增强了*OH吸附能力，降低了反应能垒。

电化学模块中，H₂O₂法拉第效率达98%，20次循环平均浓度296.7 ppm；化学模块的NiCoSe₂/NF//HCHO燃料电池开路电压1.45 V，功率密度27.90 mW/cm²，甲酸和氢气产率分别为1.88 mmol/h·cm²和1.28 mmol/h·cm²。系统能量损失仅3.76%，净能耗低至3.45 mWh/cm²。

该系统无需离子膜，产物纯度高，H₂O₂和甲酸产率具备工业化潜力。通过多电子介质设计，为超低能耗合成高值化学品提供了新路径。

Multi-electron-mediated electrochemical-chemical modular system for efficient co-production of H₂O₂, formic acid, and hydrogen

彭娟，宁夏大学化学化工学院教授，博士生导师，已连续三年入选全球前2%顶尖科学家榜单，入选自治区“百人计划”和科技创新领军人才。南京大学博士（2012），美国Rice University联合培养博士（2011），南洋理工大学CSC访问学者（2019）。承担国家自然科学基金项目5项及多项省部级课题，获得第六届中国侨界贡献创新人才奖、宁夏科技进步奖三等奖等荣誉。在Nano letters, Applied Catalysis B: Environmental and Energy, Advanced Functional Materials, Small, Chemical Engineering Journal等国际权威期刊发表高水平论文70余篇，单篇最高引用超2000次，授权国家发明专利5项，1篇论文入选“中国最具国际影响百篇论文”。