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過氧化氫被廣泛用作防腐劑、洗滌劑、化妝品、漂白劑和水凈化劑，但其商業(yè)合成仍然需要濃縮和純化步驟。該化合物可在工業(yè)濃度下用水制成高達(dá)60％的溶液，但在許多常見用途中，溶液的稀釋度要高得多。因此過氧化氫的商業(yè)化應(yīng)用還面臨很多的挑戰(zhàn)！2019年10月11日，世界頂級期刊《Science》在線發(fā)表題為“Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte”的研究文章。該研究成果是一種直接由氫和氧合成純過氧化氫溶液的電化學(xué)方法，可簡單表示為氫氣+氧氣+空氣+太陽=過氧化氫。

萊斯大學(xué)作為論文的第一通訊地址、化學(xué)與生物分子工程系的Haoting Wang教授作為通訊作者過氧化氫，博士夏川和夏洋作為第一作者分享了該理論成果。該研究成果的創(chuàng)新點(diǎn)：僅僅需要空氣、水和電就可以以所需的濃度和高純度制備有價值的化學(xué)物質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)使用了一種基于氧化碳納米粒子的催化劑。可以在使用時直接合成過氧化氫溶液，而無需運(yùn)輸危險的濃縮化學(xué)物質(zhì)。通過固態(tài)電解質(zhì)，避免目標(biāo)溶液受到外來離子的污染；通過調(diào)節(jié)流經(jīng)電化學(xué)電池的水的流速從而調(diào)節(jié)最終產(chǎn)物過氧化氫的濃度范圍為0.3％至20％。是直接由氫和氧合成純過氧化物溶液的電化學(xué)方法。

研究預(yù)覽：過氧化氫（H2O2）的合成通常需要大量的后反應(yīng)純化。該團(tuán)隊(duì)使用了一種直接電合成方法，此方法可提供獨(dú)立的氫氣（H2）和氧氣（O2）流至由多孔固體電解質(zhì)組成的陽極和陰極。其中，電化學(xué)方法產(chǎn)生的H+和HO2-重組以形成純H2O2水溶液。該團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化雙電子氧還原的功能化炭黑催化劑，在當(dāng)前密度高達(dá)每平方厘米200毫安時對純H2O2的選擇性達(dá)到了90％以上，這表示H2O2生產(chǎn)率為每平方厘米每小時3.4毫摩爾（每小時每公斤催化劑3660摩爾）。通過調(diào)節(jié)流過固體電解質(zhì)的水流速，可以獲得高達(dá)20％（重量）的濃度范圍的純H2O2溶液，并且催化劑在100小時內(nèi)保持活性和選擇性。

該論文的作者，萊斯大學(xué)的教授Haoting Wang和他的學(xué)生夏川、夏洋接受了媒體的采訪。

Haoting Wang教授說：“如果我們通過太陽能電池板供電，我們實(shí)際上可以從陽光，空氣和水中獲得過氧化氫。”我們不需要消耗有機(jī)物或化石燃料。傳統(tǒng)的大型化學(xué)工廠合成過氧化氫的過程中會產(chǎn)生有機(jī)廢物，消耗化石燃料并且排放二氧化碳。我們正在做的是綠色合成方法、無需化學(xué)能量，不產(chǎn)生任何污染物。”Haoting Wang教授說：“工業(yè)過氧化氫必須以高濃度運(yùn)輸過氧化氫，以最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益。” “運(yùn)輸是危險且昂貴的，因?yàn)闈饪s的化合物不穩(wěn)定。過氧化氫也會隨著時間的流逝而降解，一旦到達(dá)目的地就必須將其存儲起來。他說：“我們的技術(shù)使過氧化氫的生產(chǎn)非本地化。隨著可再生電力的輸入變得越來越便宜，空氣變得免費(fèi)，水也變得便宜，我們的產(chǎn)品在價格上應(yīng)該具有競爭力。”“醫(yī)院不用儲存過氧化氫的容器，而是將其用作消毒劑硫化氫檢測儀甲醇報警器，將來可以打開水龍頭，然后按需獲得3％的溶液。房主無需儲存化學(xué)藥品即可對游泳池的水進(jìn)行消毒，而是可以輕按一下開關(guān)，然后打開反應(yīng)堆來清潔游泳池。” Haoting Wang教授說。

過氧化氫反應(yīng)堆

賴斯博士后研究員兼首席作者夏川說：“燃料電池可最大程度地減少過氧化氫的產(chǎn)生，從而僅以最大的能源效率生產(chǎn)水。就我們而言，我們想最大化過氧化氫，并且已經(jīng)調(diào)整了催化劑來做到這一點(diǎn)。該電池反應(yīng)有點(diǎn)類似于燃料電池，其兩邊都有電極來處理氫氣（或水）和氧氣（來自空氣），并將它們送入兩個電極上的催化劑中，該電極將離子導(dǎo)電性多孔固體電解質(zhì)夾在中間。”Haoting Wang教授的二年級研究生、該文章的共同主要作者Yang Xia說：“該催化劑經(jīng)證實(shí)具有足夠的耐用性，可以在實(shí)驗(yàn)室中連續(xù)100個小時合成1％重量比的過氧化氫純?nèi)芤海医到獬潭瓤珊雎圆挥?jì)。低成本的炭黑催化劑，設(shè)置在固體電解質(zhì)中并被氧化以增強(qiáng)其反應(yīng)活性，使氧氣還原途徑以所需的速率和濃度朝著所需的化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)移過氧化氫，速率和濃度由施加的電壓，空氣和水原料以及穩(wěn)定的去離子水供應(yīng)確定。該反應(yīng)在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行。”

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