优化与放大多孔固体电解质电化学反应器，开启过氧化氢电合成新篇章

在过氧化氢（H2O2）合成领域，传统蒽醌法存在环境和安全问题，多孔固体电解质（PSE）反应器虽有潜力但面临挑战。研究人员针对 PSE 反应器展开系统研究，优化设计并放大反应器，实现高效稳定合成，降低成本，为H2O2电合成迈向实际应用提供关键进展。

　　过氧化氢（H2O2）在工业和日常生活中用途广泛，从化学合成到水净化，再到消毒，都能看到它的身影。然而，当前工业生产H2O2的蒽醌法既不环保又耗能巨大，而且高浓度H2O2在运输和储存时还存在爆炸风险，严重限制了它在一些领域的应用。在此背景下，通过两电子氧还原反应（2e? ORR）电合成H2O2的方法崭露头角，这种方法有望更节能、低碳，还能实现现场生产，大大提高安全性。

为了解决现有问题，清华大学等机构的研究人员对多孔固体电解质（PSE）反应器进行了深入研究。他们系统地探究了材料选择、组装参数、流场模式和操作条件等因素对H2O2电合成的影响，在此基础上优化反应器设计，成功开发出了一种 12 单元模块化电极堆叠的 PSE 反应器，电极总面积达到1200cm2。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为H2O2电合成技术的实际应用带来了重大突破。

研究人员在研究过程中使用了多种技术方法。通过分子动力学（MD）、密度泛函理论（DFT）和计算流体动力学（CFD）等工具，对 PSE 反应器中的离子传导、反应热力学和流场分布进行了深入研究。同时，运用电化学阻抗谱（EIS）测量 PSE 微球和阴离子交换膜（AEM）的电阻，利用衰减全反射红外光谱（ATR - IR）分析 AEM 的结构变化。

研究结果如下：

1. PSE 对H2O2电合成的影响：研究人员对比了多种商业 PSE，发现 PSE 微球的离子交换容量和比表面积等特性会显著影响H2O2电合成性能。表面磺酸（SA）基团密度高的 PSE 有利于H+传导，能降低电阻，提高H2O2浓度和法拉第效率（FE）。减小 PSE 微球粒径或增加堆积密度可提升H2O2合成效率，但需平衡H+传导和水流，最终选择粒径为 150 - 300μm、堆积密度约 1100mg/mL 的 Dowex 50 W×8 微球用于后续实验。
2. AEM 对H2O2电合成的影响：AEM 在H2O2电合成中起着关键作用，它能防止电极水淹并传输HO2?。不同 AEM 的性能差异明显，Sustainion XC - 37T 表现最佳。然而，AEM 在H2O2电合成过程中会发生降解，主要原因是HO2?攻击其季铵（QA）基团，导致结构改变和性能下降，目前需要开发更稳定的 AEM 来延长反应器寿命。
3. 进料材料对H2O2电合成的影响：研究发现，PSE 反应器使用去离子水（DI 水）能稳定生产H2O2，但使用自来水时会失败，主要原因是自来水中的二价离子会吸附在 PSE 微球、质子交换膜（PEM）和 AEM 上，阻碍离子传导。不过，去除二价离子后的自来水可使反应器稳定生产H2O2。此外，研究还对反应器进行了改进，采用自然空气扩散阴极和催化剂涂覆膜阳极，避免了使用泵和硫酸，简化了反应器配置。
4. 放大 PSE 反应器用于H2O2电合成：研究人员在放大 PSE 反应器时发现，电极面积增大导致 PSE 微球层流场不均匀，出现死区，影响H2O2电合成性能。通过设计蛇形流场板，改善了流场均匀性，提升了H2O2生产效率和 FE。最终开发的 12 单元模块化电极堆叠反应器，性能大幅提升，在工业相关电流密度下，每天可生产约 2.5kg 纯H2O2，能量成本显著低于市场价格，不过长期运行时 AEM 的降解仍是限制因素。

研究结论和讨论部分指出，高表面磺酸基团密度的 PSE 和具有亲水聚合物主链的 AEM 有利于H+和HO2?传导，可实现高效H2O2电合成。优化后的 PSE 反应器在简化配置后，能以较低成本生产H2O2，在一些实际应用中具有经济竞争力。但 AEM 在高浓度HO2?环境下稳定性差，是 PSE 反应器长期稳定运行的主要瓶颈，未来需要进一步研究开发更耐用的 AEM，以推动 PSE 反应器在H2O2电合成领域的广泛应用。