化工系赵雪冰课题组研发木质素为碳基催化剂前体和电子供体的过氧化氢电化学合成新技术
发布时间: 2025-03-12 08:13:34
清华新闻网3月11日电 过氧化氢（H2O2）是全球100种最重要的化学品之一，被广泛应用于漂白、有机合成、水处理、清洁消毒等领域。木质素是自然界中最丰富的芳香类聚合物和生产生物能源及碳基材料的重要可再生原料，广泛存在于维管植物细胞壁中，在工业上常作为制浆造纸和生物炼制过程的副产品被获得。近日，清华大学化工系赵雪冰课题组提出了以木质素为碳基催化剂前体和电子供体，以空气为氧源合成过氧化氢的新途径，为木质素的资源化、能源化转化以及过氧化氢的原位分布式制取提供了新的思路。研究团队以木质素为碳前体制备出氧气二电子还原的碳基催化剂，结合使用电子介体促进木质素电子向电极传递的速率，并以课题组前期开发的直接木质素燃料电池为电源供给，构建出实现木质素内生电子向空气氧传递高效制备过氧化氢的耦合新体系（图1）。该耦合体系以氧气氧化木质素的反应Gibbs自由能变为驱动力，以木质素内源性电子为还原力，从而无需额外的电能输入。
图1.以空气为氧源、木质素为绿色碳基前体和电子供体的过氧化氢电化学合成新体系
研究团队以木质素为碳前体、纳米SiO2为硬模板，通过热解法制备出B、O掺杂的碳基催化剂。该催化剂展现出优秀的催化活性、过氧化氢分子选择性和长时间稳定性（超过120小时），以及出色的过氧化氢产率（11812 mmol g−1h−1）。此外，为降低传统电解体系中阳极析氧反应需要较高电位以及氧气附加值低等缺点，研究团队以木质素氧化反应代替析氧反应，并筛选出铁氰根作为电子介体促进电子传递的动力学速率，使得电解能耗降低了11.4%。进一步以直接木质素燃料电池为电能供给，构建出无需外界电能输入的自供电耦合体系，实现以空气为氧源高效制备过氧化氢，总电子传递效率达93.7%（图2）。该工作可为木质素的转化利用和过氧化氢的高效电化学合成提供新的途径。
图2.木质素为电子供体的过氧化氢电化学合成耦合系统及其电化学性能
相关研究成果以“空气和木质素自供电电化学合成过氧化氢”（Self-powered electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from air and lignin）为题，于3月7日在线发表于《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）。
清华大学化工系2022级博士生李雍容、化工系2018级博士生欧阳镫浩（已毕业）为论文第一作者，化工系副教授赵雪冰为论文通讯作者。其他合作者包括清华大学化工系2021级博士生刘樨、2023级博士生张逸晨，化工系副教授牛志强，以及威斯康星大学麦迪逊分校教授潘学军（Xuejun Pan）。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
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