第一作者：张梦迪、黄嘉润

通讯作者：廖培钦

通讯单位：中山大学

论文DOI：10.1021/jacs.4c10675

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该论文着重归纳总结了陈小明院士廖培钦研究团队在“连续性电化学合成医用级浓度的纯H₂O₂溶液”这一领域上的进展，并系统地研究了一系列具有相似结构的二维COFs材料的2e⁻ORR性能及相应的催化机理。同时为合理设计先进的2e⁻ORR电催化剂提供了新思路，加快了电合成的工业应用。

背景介绍

过氧化氢（H₂O₂）作为一种环境友好型化学品，在医药、化工等各个研究领域都得到了广泛的应用。工业上，大规模生产H₂O₂的方法主要依赖于蒽醌循环工艺。然而，这种方法通常只能产生原始流浓度约为1−2 wt %的H₂O₂溶液，需要通过后续的蒸馏步骤来达到医疗应用所需的更高浓度（>3 wt %）。此外，大量的有机污染物的伴生增加了额外的净化成本。因此，迫切需要开发可替代的途径来绕过这些低效率的生产并支持可持续的H₂O₂合成。近年来，电催化两电子氧还原反应（2e⁻ORR）作为一种可行的替代方案出现，提供了一种在环境条件下由O₂和H₂/H₂O直接生成H₂O₂的更为环保、安全的途径。

图1. 具有不同共轭程度的二维镍酞菁基COFs的构筑以及它们的HOMO−LUMO能级水平、带隙宽度。

中山大学团队构筑了一例基于镍酞菁的共价有机框架（COF，记为BBL-PcNi），其具有1.14 × 10⁻⁵ S·m⁻¹的高固有电导率，能够在3.5 V的低电池电压下，以530 mA·cm⁻²的超高电流密度和接近100%的H₂O₂选择性工作。值得注意的是，这种高水平的性能在200小时的连续运行中基本保持不变。

图2. 流动池中的2e⁻ORR性能。

当集成到放大的膜电极组件电解槽中，BBL-PcNi可以连续生产具有医疗级浓度（~3.5 wt %）的纯H₂O₂溶液，这比先前报道的催化剂至少高3.5倍。

图3. 膜电极组件电解槽中的2e⁻ORR性能以及杀菌实验。

通过对中山大学湖水中的细菌进行了抑菌试验，结果表明，利用BBL-PcNi合成的高纯度H₂O₂溶液具有强效抑菌的活性。

图4. 机理研究。

机理研究表明，增强π共轭以降低整合到COF中的分子催化位点的带隙更有效地增强了其固有的电子传输能力，从而显著提高了H₂O₂生成的电催化性能。

总结与展望

本文首次在没有电解质的情况下实现了连续性电化学合成医用级浓度的纯H₂O₂溶液，且得到的溶液表现出很强的抗菌活性。通过合成一系列具有相似结构的二维COF材料，并系统地研究其2e⁻ORR性能及相关的催化机理，证明增强COF中分子基催化位点的π共轭效应可以有效促进其在2e⁻ORR过程中固有的电子转移能力，从而有利于在低电位下实现H₂O₂的单一选择性和超高电流密度。这项工作不仅为合理设计先进的2e⁻ORR电催化剂提供了思路，突出了COF材料在电催化领域的应用前景，而且加快了电合成的工业应用，标志着可持续化学合成迈出了重要的一步。

课题组介绍

廖培钦教授简介

廖培钦，中山大学化学学院，教授，博士生导师。2016年07月至今，工作于中山大学化学学院陈小明教授研究团队。长期致力于多孔配位聚合物的设计、合成、电催化小分子转化和相关机理研究。入选2018年国家级青年人才，作为第三届中国科协“人才托举工程”被托举人，主持广东省杰出青年基金和国家青年基金项目。目前与合作者一起发表SCI论文80余篇，论文累计被SCI他引7000余次，15篇论文入选ESI高被引/热点用论文，H指数为42。