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天大成功开发绿色过氧化氢高效电催化剂 实现即产即用

   2025-05-29 中国化工报

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核心提示:近日,天津大学对外宣布,该校材料与工程学院梁骥教授团队通过独特的层间氢键设计,成功开发出一种高性能电催化剂,实现了绿色过

近日,天津大学对外宣布,该校材料与工程学院梁骥教授团队通过独特的层间氢键设计,成功开发出一种高性能电催化剂,实现了绿色过氧化氢的高效合成,且有望实现“即产即用”。相关研究发表于期刊《自然·通讯》。

过氧化氢作为重要的氧化剂和消毒剂,广泛应用于化工、医疗和环保领域,2024年全球需求量高达600万吨。然而,目前95%的过氧化氢依赖高能耗的蒽醌法生产,不仅存在安全隐患,还会造成环境污染。开发绿色、高效、可持续的过氧化氢合成方法是科学界和工业界的共同目标。其中,电化学合成技术能直接利用氧气和水生成过氧化氢,可在常温常压下生产,有望实现过氧化氢“即产即用”的理想目标。但长期以来,催化剂在中性和碱性环境中活性低、选择性差、稳定性不足,制约了该技术的实际应用。

为解决上述难题,梁骥团队研发了一种镍基金属有机框架材料。该材料具有独特的层状结构,使镍活性中心与相邻层的氨基基团形成“层间氢键”。该效应犹如一把“分子钥匙”,使该材料对于电合成过氧化氢的催化能力精准匹配理论最优值,既保证了反应活性,又大幅抑制了副反应发生。与传统催化剂依赖金属中心电子结构调控不同,研究团队通过设计材料的分子堆积方式,利用氢键等非共价键作用力,实现了对催化反应的精准调控。这种“非配位结构调控”策略为新型电催化材料的研发提供了崭新的思路,未来可拓展应用于更多化学反应体系。

测试表明,在中性和碱性环境中,该催化剂制备过氧化氢的产率远超同类产品。在人工海水中,该催化剂制得的过氧化氢质量浓度可快速积累到1%,而在碱性溶液中则可快速积累到3%,均达到了污染物降解、杀菌等需求的实用标准。例如,利用该材料在生理盐水中制备过氧化氢仅30分钟后即可对大肠杆菌等致病菌实现100%的杀灭率,并对毒性有机染料实现快速降解。

这种新型催化剂,不仅有望破解传统生产工艺高能耗、高污染难题,还在中性和碱性环境以及复杂水质中展现出良好的适用性。目前,研究团队正在优化制备工艺,推动技术从实验室走向工业化生产线,力争早日实现对传统高污染工艺的替代,助力绿色化工目标实现。


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