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DC DSR旋转圆盘电极顶刊成果|ACS Catalysis:用光和空气,高效造出双氧水H₂O₂

近期,江西师范大学彭桂明教授课题组在催化领域顶刊 ACS Catalysis发表重要突破,使用DC DSR旋转圆盘圆环电极和电化学工作站对改性的催化剂进行了测试,把氮化碳电子结构 “极化”,再搭气 - 液 - 固三相连续流光反应器,一举实现高效、高选择性、可连续产 H₂O₂,性能刷新体系纪录!

通讯作者:彭桂明、巫素琴

论文单位:江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室,彭桂明团队

论文DOI: 10.1021/acscatal.6c00507(点击文末「阅读原文」,直达链接

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双氧水(消毒水)在生活、环保、化工里都很常用,但传统生产方法蒽醌法耗能高、有污染;直接合成又有爆炸风险、贵金属成本高。太阳能光催化产H₂O₂被视为绿色替代路线,但氮化碳(CN)一直被电荷分离差、O₂传质慢、吸附活化三大难题卡脖子。

这篇论文用两步就搞定:

  1. 改催化剂
    给普通氮化碳加磺酸基 + 氰基,让它更会 “分电荷、抓氧气”

  2. 改反应器
    气 - 液 - 固三相连续流装置,让氧气直接从气相过来,速度快 1 万倍


实测效果


  • 产率提升:比普通催化剂高 41 倍
  • 选择性:>94%,几乎只产双氧水,不产别的
  • 量子效率:400 nm 光照下 36.5%,属于顶尖水平
  • 连续生产:三相反应器里,产量是传统两相的 4 倍
  • 稳定耐用:反复用好多次,性能几乎不下降


实验方法


这是判断产双氧水选择性最标准的测试,步骤简单好重复:

1. 用到的设备

旋转圆盘圆环电极装置:DC DSR(PHYCHEMI)、电化学工作站
三电极:工作电极(催化剂涂在玻碳盘)、参比(Ag/AgCl)、对电极(铂片)
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2. 催化剂薄膜怎么做

将催化剂、Nafion、乙醇按一定比例搅拌成均匀液体

取 10 μL 涂在玻碳盘电极上,烘干即可

3. 测试条件

电解液:0.1 M 磷酸盐缓冲液(PBS),pH=6.9,通氧气饱和
扫描速度:5 mV/s
转速:1600 rpm
盘电压:-0.7 ~ 0.3 V vs RHE
换电压:固定在 0.5 V(vs Ag/AgCl),用来检测生成的双氧水


4. 测出的结果

普通氮化碳:n≈2.6,选择性约 83%
改性催化剂 SCN:n≈2.1,选择性>94%
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图b.在通氧气 / 氮气的中性溶液里,用旋转圆盘圆环电极、转速 1600 转 / 分钟,测试 SCN 和普通 CN (M) 的氧还原反应曲线
图c.反应过程的电子转移数量,以及生成双氧水的选择性


总结

这篇论文给出了一套从催化剂分子设计→界面工程→反应器集成的完整方案:

调控电子结构,解决电荷分离与 O₂活化的问题;改善三项流动界面,解决 O₂传质与连续生产问题;增加可耦合糠醇等有机氧化增值反应,光生电子产 H₂O₂、光生空穴做有机合成,一举两得;为太阳能规模化、低成本、绿色合成 H₂O₂提供了可落地的新思路


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