化学科学与工程学院赵国华团队提出基于局部富氧界面构筑协同*OOH优化的微环境调控策略，助力工业级电流密度高效电合成过氧化氢，成果发表于《德国应用化学》
来源：化学科学与工程学院
时间：2026-09-30 浏览：
基于两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）的过氧化氢电化学合成技术，具有绿色清洁、反应条件温和等优势，且能够与太阳能、风能等可再生能源高效耦合，是一种极具潜力的绿色合成工艺。然而，氧气在水溶液中的固有低溶解度（约8 mg L-1）及缓慢的扩散系数（约1.96×10-4 m2 s-1），使得其从本体溶液向电极界面的传质过程受到严重限制，导致电极表面有效氧浓度严重不足，大幅降低了2e⁻ ORR核心半反应（O2+2H⁺+2e⁻→H2O2）的反应物供给，最终显著制约了H2O2电合成的催化活性与产能上限。
近日，化学科学与工程学院赵国华教授团队提出通过将自发氧扩散—吸附过程与2e⁻ ORR机制的内在调控进行协同耦合，并在理论计算的指导下，成功构建了氧气供应动力学与催化反应之间的自适应性匹配体系，有效破解了传统体系中氧源供给滞后、反应传质失衡的关键瓶颈，实现了固体电解质反应池中工业级电流密度下的H2O2高效电合成。相关研究成果以“Oxygen Enrichment on Carbon Nanoreactors and *OOH Modulation on Sn1 Sites Cooperatively Promote Industrial-Scale H2O2 Electrosynthesis”为题，发表于化学领域国际权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
针对氧气供应动力学缓慢与催化反应关键中间体*OOH调控难的问题，研究团队在有限元分析模拟与DFT理论计算的指导下设计合成了一种锡单原子锚定的中空介孔碳纳米反应器（Sn1/HMCS）。该中空介孔碳纳米反应器通过自发的O2吸附与扩散，在催化界面处构建了局部富氧微环境；同时，N/O配位的锡位点可实现最优*OOH吸附调控，从而获得约100%的H2O2选择性。自发供氧动力学与电催化反应之间的自适应匹配，使该体系在工业相关的电流密度条件下，既能维持最佳热力学反应势垒，又能保持高活性与高选择性。
图1、用于电合成H2O2的富氧界面构筑协同*OOH优化的微环境调控策略示意图
研究团队进一步将该纳米反应器组装至固体电解质反应池中后，成功构建出一种可在工业级电流密度下连续运行的过氧化氢电合成系统，可实现稳定、低能耗高纯度、高浓度过氧化氢生产。在500 mA cm-2的工业电流密度下，该系统可持续产出浓度高达约4.51 wt%的高纯度过氧化氢溶液，对应的过氧化氢产率可达31.8 mol gcatalyst-1 h-1，且在运行300小时后仍保持预期性能。技术经济分析表明，该系统可规避产物分离相关成本，使过氧化氢生产成本降至每吨393–648美元，低于当前市场价格（每吨700–1200美元）。本研究有望为工业规模、高稳定性过氧化氢催化剂及电合成系统的未来发展提供重要参考。
图2、固体电解质反应池中基于Sn1/HMCS纳米反应器的电合成H2O2示意图
赵国华教授为论文通讯作者，博士生苗超为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和同济大学医学-X交叉学科研究等项目支持。