编辑推荐：
当前，过氧化氢（H2O2）生产面临传统工艺能耗高、有副产物等问题，2e? 氧还原反应（2e? ORR）制备H2O2 受限于酸性条件下过电位高、产率低。研究人员优化酸性电解质组成并引入碱金属阳离子（AMCs），提高了商业碳基气体扩散电极（GDEs）性能，为大规模H2O2 生产提供更经济的方法。
过氧化氢（
H2O2）作为一种重要的绿色工业氧化剂，在众多领域都有广泛应用，如在造纸行业用于纸浆漂白，在医疗领域可用于外科消毒，市场需求持续增长。目前，工业上主要采用蒽醌法生产过氧化氢，但该方法存在能耗高、产生有机副产物以及运输和储存风险大等问题。因此，开发一种更绿色、高效的过氧化氢制备方法迫在眉睫。
2e? 氧还原反应（2e? ORR）为过氧化氢的生产提供了新的可能，它利用氧气、水和电就能实现可持续的、按需的H2O2 生产。然而，酸性条件下该反应存在过电位高、生产速率低的问题，限制了其大规模应用。为了解决这些问题，德国柏林工业大学（Technical University Berlin）的研究人员开展了相关研究。他们致力于优化酸性电解质组成，探索碱金属阳离子（AMCs）对2e? ORR 制备H2O2 的影响，期望能找到一种更具成本效益的大规模H2O2 生产方法。该研究成果发表在《Chem》杂志上，为过氧化氢生产领域带来了新的突破。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用具有连续在线产品检测功能的电解槽装置，实时监测H2O2 的生成情况。其次，运用电化学测量技术，通过循环伏安法（CV）等手段研究反应活性和选择性的变化。此外，借助扫描电子显微镜 / 能量色散 X 射线光谱（SEM/EDX）和 X 射线衍射（XRD）等表征技术，对电极进行分析，了解电极表面的变化情况 。
研究结果
- 电解槽设置和设计流程：研究人员使用了一种带有连续在线产品检测的电解槽，该电解槽可在闭环模式和单通道模式下运行。阴极采用商业 GDE，阳极使用 Ir - MMO，参比电极为 Ag/AgCl，阴阳两电极室由 Nafion NR212 膜隔开，通过优化各组件，构建了一个高效的反应体系。
- 在闭环模式下生产高浓度酸性H2O2 溶液：在不同酸性电解质中添加或不添加金属阳离子，利用商业 Freudenberg H23C2 碳 GDEs 进行H2O2 生产实验。结果显示，在 0.1 M H2SO4 中，H2O2 产量和法拉第效率（FE）较低且随时间下降；添加单价阳离子后，H2O2 产量和 FE 显著提高，且增强顺序为Li+<Na+≈K+ 。而添加多价金属阳离子时，MgSO4 使 FE 约为 65% 且随时间略有下降，CaSO4 使2e? ORR 活性最初提高，但 FE 很快下降，Al2(SO4)3 则对H2O2 生产没有积极影响。
- 脉冲电流对H2O2 生产的影响：在单通道模式下进行脉冲电流实验，结果表明，在含有 AMCs 的电解质中，H2O2 生产的 FE 更高且随时间增加；在 0.1 M H2SO4 中，FE 随时间下降。利用脉冲电流在闭环实验中改变电流密度，可提高H2O2 生产速率和 FE，但仍低于含金属阳离子的电解质。
- 单通道H2O2 生产：在单通道模式下研究电解质组成对 FE 的影响，发现添加 AMCs 可使 FE 稳定在 95% ，且Na+ 和K+ 比Li+ 能带来更高的 FE。AMCs 不仅改变反应选择性，还使2e? ORR 的起始电位向更负的方向移动，提高了反应活性。
- 电位窗口对 ORR 和 HER 的影响：通过 CV 实验观察到 AMCs 对2e? ORR 的阳离子增强效应，表现为形成强滞后现象和显著降低起始电位。在 0.1 M H2SO4 中，HER 速率随时间增加，通过改变上转折电位（UTP）可抵消这种影响；在 0.1 M H2SO4+0.05MK2SO4 中，H2O2 的 FE 不受 HER 速率增加的影响，这得益于阳离子增强效应使2e? ORR 电位窗口发生了移动。
研究表明，通过优化电解质组成和利用阳离子增强效应，能够显著提高H2O2 的生产效率。在酸性介质中，即使添加痕量（10 mM）的 AMCs，也能大幅提升H2O2 产率，超越了此前大多数研究成果。而且，该研究使用商业 GDEs 就取得了优异的性能，无需复杂的催化剂制备过程。
然而，对于 HER 速率随时间增加这一现象，其背后的机制尚未完全明确，可能与金属杂质积累、表面质子浓度变化或碳催化剂功能化改变等因素有关，还需要进一步的原位实验深入探究。总的来说，这项研究为大规模、高效、绿色地生产过氧化氢提供了新的策略和理论依据，有望推动相关产业的发展 。
