刘艳艳、李保军教授，Small综述：通过不同（光）电化学反应途径现场生产过氧化氢的催化剂设计及环境应用挑战与展望

通过不同（光）电化学反应途径现场生产过氧化氢的催化剂设计及环境应用挑战与展望

过氧化氢（H₂O₂）是一种环保高效的氧化剂，广泛应用于化工、医药、能源和环保等领域。传统的合成方法，如蒽醌氧化法，消耗资源大且对环境有害。由氢气和氧气直接合成H₂O₂的过程受限于安全性、效率和重金属催化剂污染之间的平衡。为了解决这些问题，电化学、光化学和光电化学等替代方法应运而生，提供了更绿色、可持续的解决方案。这些创新方法仅依赖于水、氧气和太阳能或电能，有望成为耗能密集的蒽醌工艺的可行替代。

本综述从不同反应路径的角度出发，深入探讨了在（光）电化学系统中通过两电子氧还原反应（2e⁻ORR）、两电子水氧化反应（2e⁻WOR）以及整合的双通道路径（2e⁻ORR + 2e⁻WOR）生产H₂O₂的最新进展。讨论了不同路径的基本原理、性能评价参数及高性能催化剂的设计策略。此外，还探讨了不同反应路径现场生产的H₂O₂在环境治理中的应用进展。最后，展望了（光）电化学系统在H₂O₂生产中的催化剂设计和实际应用面临的挑战与前景，旨在为该领域的研究人员提供有价值的参考。

图1. 不同方法生产H₂O₂示意图a)蒽醌法b)由H2和O2直接合成c)电化学法d)光化学法e)光电化学法

图2不同系统H₂O₂生产机理示意图：电化学H₂O₂生产：a) 2e⁻ORR b)2e⁻WOR和c) 双通道途径。光化学H₂O₂生产：d) 2e⁻ORR e) 2e⁻WOR和f) 双通道途径 光电化学H₂O₂生产：g) 2e⁻ORR, h) 2e⁻WOR和i) 双通道途径。

图3 电化学双通道途径生产H₂O₂

为实现光化学系统中高性能的H₂O₂生产，需优化光催化剂的光吸收、电荷分离和表面氧化还原反应。设计具有理想能带结构的高活性、低成本半导体催化剂是关键挑战。文章总结了通过2e^-ORR、2e^-WOR和双通道方法合成H₂O₂的代表性光催化剂进展。常用催化剂如TiO2和BiVO4，因光吸收差和电荷重组受限，通过沉积贵金属纳米颗粒、构建异质结构和缺陷工程等策略改进。g-C₃N₄因带隙合适和可见光响应性有优势，但存在聚集和光吸收有限问题，需通过形态调制和掺杂增强活性。COFs具有高孔隙率和可调结构，可通过分子掺杂和官能团修饰提升H₂O₂生成潜力。双通道方法将2e^-ORR与2e^-WOR耦合，提供了一种创新途径，强调合理设计催化剂以克服现有限制的必要性。

图4 光化学双通道途径生产H₂O₂

光电化学（PEC）工艺结合了光化学和电化学的优势，展现出生产H₂O₂的巨大潜力。开发先进的光电阴极和光阳极对PEC合成H₂O₂至关重要。文章评价了通过2e^-ORR、2e^-WOR和双通道途径合成H₂O₂的代表性光电催化剂的最新进展。金属氧化物如CuBi₂O₄和BiVO₄通过掺杂、异质结形成和表面修饰等策略，增强了电荷分离和催化效率。双通道方法结合2e^-ORR和2e-WOR，有望在无需外部偏置的情况下提高H₂O₂产量和能源效率。此外，金属硫化物和有机聚合物等替代材料为H₂O₂合成提供了新的机会，强调了进一步探索这些化合物和合理设计催化剂表面以调节反应中间体的重要性，从而推进PEC H₂O₂生产领域的发展。

图5 光电化学双通道途径生产H₂O₂

过氧化氢作为一种绿色氧化剂，在消毒和污染物降解等环境应用中受到越来越多的关注。通过电化学、光化学和光电化学过程可以现场生成H₂O₂。这些方法利用2e^-ORR、2e^-WOR或集成的双通道途径进行H₂O₂的现场合成。根据氧化能力的要求，通常采用直接施用或芬顿/类芬顿反应的方法，灭活各种细菌，降解有机污染物，而不会产生有害副产物。

图6不同系统现场生产H₂O₂和环境应用简单示意图

电化学、光化学和光电化学系统生产H₂O₂被视为可持续途径，仅涉及水、氧气、太阳能或可再生电力。文章综述了各种（光）电化学催化途径生产H₂O₂的最新进展，包括2e^-ORR和2e^-WOR的机制和评估参数，以及提高H₂O₂选择性的催化剂设计策略。尽管这些方法为可持续环境应用提供了巨大潜力，但提高工业可行性仍需解决催化剂性能、反应器规模化和环境友好性等挑战。未来需开发高活性、选择性和稳定性的材料，利用原位技术阐明催化机制，建造可扩展反应器，并优化反应条件。智能自动化和人工智能技术的结合将促进生产过程的实时控制，提高效率并确保稳定性，推动H₂O₂生产技术在消毒和污染物降解方面的实际应用。

https://doi.org/10.1002/smll.202410612

刘艳艳教授简介：河南农业大学副研究员、校聘教授，中原英才计划青年拔尖人才，主要从事储能活性炭材料及能源催化过程研究。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., Appl. Catal. B, Adv. Sci., Nano Res., Small, J. Mater. Chem. A等期刊发表论文60余篇。授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年基金等项目3项，作为骨干参与国家重点研发计划1项。