天津大学梁骥教授团队Advanced Materials丨氧还原电合成过氧化氢及阳极耦合反应研究进展

第一作者：聂家欢，李振鑫，刘威

通讯作者：桑志远*，王立群*，梁骥*

单位：天津大学，天津师范大学

两电子氧还原（2e⁻ ORR）电合成过氧化氢（H₂O₂）是一种有前景的、可替代蒽醌法的新工艺。开发具有高2e⁻ ORR选择性和活性的电催化剂是高效H₂O₂电合成的先决条件。同时将2e⁻ ORR与低氧化电位的阳极反应结合，在阴极和阳极产生高附加值产物的同时降低全电池电压，可以进一步提高氧还原电合成过氧化氢的效率和经济效益。为此，本文全面总结了不同介质中2e⁻ ORR催化剂的最新进展、反应微环境对催化性能的调节机制，以及将2e⁻ ORR与各种阳极氧化反应耦合的电催化系统。本文还对这一快速发展的领域中存在的挑战和机遇提出了新的见解，以期推动过氧化氢电合成的快速发展。

基于此，天津大学梁骥教授，桑志远博士与天津师范大学王立群博士合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Recent progress in oxygen reduction reaction toward hydrogen peroxide electrosynthesis and cooperative coupling of anodic reactions”的综述文章。该文章主要从三个部分综述了2e⁻ ORR的最新进展和调控策略：(1) 2e⁻ ORR在不同pH条件下的最新进展，特别是在酸性和中性介质中；(2) 表界面微环境对2e⁻ ORR的调控；(3) 阴极2e⁻ ORR和常见阳极反应的耦合体，并且还对这一快速发展的领域中存在的挑战和机遇提出了新的见解。

图1. 2e⁻ ORR催化剂在不同电解质中高效生产H₂O₂和阳极反应耦合系统的最新进展。

介绍了2e⁻ ORR在各种介质中形成H₂O₂的最新进展。在酸性电解质中，催化剂分为钴基催化剂（Co-N₄, Co₁-NG(O)等）和其他类型催化剂（Pt-Hg, Pd-Hg, Au-Pd,等）。在中性和碱性电解质中，我们根据催化剂的类型将其分为单原子催化剂（ZnNC-700，CoPc-CNT(O), NiN₃S, CoN₃O等）、化合物催化剂（h-SnO₂ and PdSe₂, Cu/In₂Se₃等）、和无金属碳催化剂（N-C₈₀₀, MHCS_0.5, PTFE@CNTs等）。

要点二：催化剂表面微环境对2e⁻ ORR性能的影响

从pH效应、电解质中的阴阳离子效应、电解质中额外添加的表面活性剂、表面疏水改性四方面出发，讨论了表面微环境对催化剂的2e⁻ ORR性能及连续稳定高效电合成H₂O₂的影响。

要点三：过氧化氢电合成耦合阳极反应系统

采用低氧化电位，或者高附加值产物的阳极反应替代OER过程，可以提高整体反应效率和经济效益。本章节具体介绍了乙二醇氧化反应（EOR）、5−羟甲基糠醛电催化氧化反应（HMFOR）、析氯反应（CER）、二电子水氧化反应（2e⁻ WOR）、电化学臭氧生成（EOP）等耦合策略，在提高过氧化氢电合成系统的效率和经济可行性的优势与进展。

要点四：前瞻

深入了解催化剂在不同环境中的反应机理和特定的阳极反应对于构建更有效的耦合系统至关重要。如何在复杂的环境中实现节能高效的H₂O₂电合成，并将其直接应用于工业生产，是我们今天面临的重大挑战。为此作者提出：1）为快速生产H₂O₂设计具有水解离功能的催化剂。2）开发具有耐氯作用可直接应用于海水的2e⁻ ORR催化剂，并且设计合适的反应器耦合阴极反应与阳极酸性电解液抑制阴极沉淀的产生。3）更精确揭示表面微环境对2e⁻ ORR性能影响。4）尝试更多类型的阳极氧化反应以提升系统的效率和经济效益，并拓宽应用场景。5）设计和优化反应器的构造，满足工业化大电流低电压的需求。6）考虑耦合系统中目标产物的分离与纯化，以符合实际生产需要。7）设计光催化/光电催化新型催化剂，以实现可持续型能源驱动H₂O₂高效节能的生产。

Recent progress in oxygen reduction reaction toward hydrogen peroxide electrosynthesis and cooperative coupling of anodic reactions

梁骥：天津大学教授，博士生导师，于2014年获澳大利亚阿德莱德大学博士学位，先后获中国科学院金属研究所葛庭燧奖研金项目、澳大利亚研究理事会（ARC）青年学者奖（DECRA）等项目的支持。2020年加入天津大学材料科学与工程学院，从事纳米储能材料与器件的基础及应用研究，所开发的材料用于新型非贵金属催化氧还原、氮还原、光催化及储能等领域。梁骥教授针对电催化及电池应用的具体要求，对材料的结构和表面化学进行设计和调控，得到了一系列的高性能电催化/电池材料，同时结合理论模拟，揭示了这类非（贵）金属材料在上述电化学体系中的反应机制。近年来，其研究成果以学术论文的形式在Nat. Commun.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Storage Mater.等期刊发表文章170余篇，其中多篇以封面、内封面、封底的形式发表，参与编写英文书籍多部，其学术成果累计引用17,000余次，h指数为52。多次入选斯坦福全球Top 2%科学家排行榜和爱思威尔中国高被引学者。

聂家欢、李振鑫、刘威均在天津大学材料科学与工程学院攻读硕士学位，研究方向集中在设计和制备用于电催化两电子氧还原产过氧化氢的高性能催化剂。

梁骥教授课题组在电催化两电子氧还原和电催化氨氧化领域具有丰富的理论积累和研发经验，同时还涉及第一性原理计算、分子动力学模拟、有限元分析等方向的研究。该课题组近期在电催化两电子氧还原的相关研究内容主要包括：吡咯氮中心促进双电子氧还原电化学制备过氧化氢（Nat. Commun., 2023, 14, 4430.）, 二维导电金属−有机骨架上高密集双金属活性位的计算导向设计（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202408500.）, 非平面三吡咯−氮配位单原子高效电合成H₂O₂催化剂的高通量设计(Angew. Chem. Int. Ed., 2025,64, e202421864.)，高效过氧化氢电合成单原子催化剂的广义配位工程策略 (Adv. Mater., 2024, 36, 2406403.)等。拥有多项国家发明专利和设备。承担国家自然科学基金青年项目/面上项目。培养了多名硕士、博士、博士后。