利用空氣和水作為原料，并且在環(huán)境條件下進(jìn)行的電化學(xué)過(guò)氧化氫(H₂O₂)生產(chǎn)近年來(lái)引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，提高反應(yīng)的效率通常需要復(fù)雜和/或昂貴的催化劑，或使用犧牲劑，這不利于該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。

最近，由于對(duì)水-固體界面接觸?電催化及其在物理化學(xué)過(guò)程中的作用的研究的加強(qiáng)，使人們認(rèn)識(shí)到水-固體接觸?電催化過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移可以驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。這種機(jī)制被稱為接觸電催化(CEC)，其允許化學(xué)惰性氟化聚合物具有類似單電極性質(zhì)。因此，將CEC機(jī)制應(yīng)用到電化學(xué)H₂O₂生產(chǎn)中具有實(shí)際意義。

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林和朱來(lái)攀等使用超聲驅(qū)動(dòng)接觸電催化(CEC)來(lái)在水-聚合物(氟化乙烯丙烯共聚物(FEP))界面生產(chǎn)過(guò)氧化氫(H₂O₂)。

具體而言，當(dāng)催化劑與溶液的質(zhì)量比為1：10000時(shí)，在20°C下，H₂O₂的產(chǎn)率達(dá)到58.87 mmol L^-1 g_cat^-1 h^-1；電子順磁共振(EPR)和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明，在超聲過(guò)程中，帶電的FEP在溶液中發(fā)射電子，將水還原為自由基物種，隨后產(chǎn)生的羥基自由基(HO?)或兩個(gè)超氧自由基(O₂?^?)形成H₂O₂。

此外，從頭算分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算表明，自由基可以通過(guò)水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)交換質(zhì)子和電子(Grotthuss機(jī)制)，這種機(jī)制應(yīng)該也適用于其他系統(tǒng)，無(wú)論是人工的或自然的，以解釋在WOR和ORR過(guò)程中形成的自由基如何在大部分水中產(chǎn)生H₂O₂。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作介紹了一種將空氣和純水轉(zhuǎn)化為H₂O₂的一種新途徑，且不需要使用復(fù)雜的催化劑設(shè)計(jì)或犧牲劑，這有助于加深人們對(duì)液-固接觸-電化學(xué)和CEC的物理化學(xué)過(guò)程的知識(shí)。

Mechanism for Generating H₂O₂ at Water-Solid Interface by Contact-Electrification. Advanced Materials, 2023. DOI: 10.1002/adma.202304387