近日，化學(xué)化工學(xué)院師生在表界面化學(xué)與綠色催化交叉領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以Electrode Fouling by Gas Bubbles Enables Catalyst-Free Hydrogen Peroxide Synthesis為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。江蘇大學(xué)為第一完成單位，化學(xué)化工學(xué)院博士生宋曉雪為論文第一作者，化學(xué)化工學(xué)院教授張龍、南開(kāi)大學(xué)教授張新星和澳大利亞科廷大學(xué)教授Simone Ciampi為共同通訊作者。
該研究工作發(fā)現(xiàn)，固定在多孔碳電極表面上的氣泡所形成的氣-液-固三相界面區(qū)域，不僅富集OH?離子并降低其氧化勢(shì)能，還可通過(guò)抑制過(guò)氧化和引入O2捕電子路徑，協(xié)同提升H2O2生成效率。該系統(tǒng)在+1.1V（vs.Ag/AgCl）下反應(yīng)1h可實(shí)現(xiàn)8.98mM的產(chǎn)率，無(wú)需貴金屬或其他功能性催化劑。研究結(jié)合電子順磁共振、同位素標(biāo)記、原位紅外等手段，系統(tǒng)揭示了三條協(xié)同路徑（電化學(xué)氧化OH?、電化學(xué)氧化H2O和化學(xué)還原O2）對(duì)H2O2形成的貢獻(xiàn)，同時(shí)DFT理論計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了氣泡誘導(dǎo)電化學(xué)氧化OH?功函數(shù)降低機(jī)制。此項(xiàng)工作不僅挑戰(zhàn)了“氣泡阻礙電化學(xué)反應(yīng)”的傳統(tǒng)觀(guān)念，為綠色化學(xué)合成、清潔能源轉(zhuǎn)換及環(huán)境修復(fù)提供了新思路和平臺(tái)，具有廣泛的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。
上圖直觀(guān)展示了O2氣泡固定在多孔碳電極表面所形成的“氣-液-固三相界面”上的離子分布與H2O2生成機(jī)制。在電極施加+1.1V電位下，氣泡的雙電荷層內(nèi)形成富集的OH?區(qū)域，顯著降低其氧化為羥基自由基（?OH）的能壘。隨后，?OH可進(jìn)一步偶聯(lián)生成H2O2（紅色箭頭）。與此同時(shí)，H2O也可直接通過(guò)雙電子氧化路徑生成H2O2（藍(lán)色箭頭），該過(guò)程在氣泡提供的疏水環(huán)境下避免了?OH過(guò)度氧化。此外，氣泡周?chē)腛2還能捕獲前述反應(yīng)釋放的電子，通過(guò)化學(xué)還原途徑生成H2O2（綠色箭頭）。三種路徑協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)催化劑條件下對(duì)H2O2的綠色電合成。
該項(xiàng)研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇大學(xué)高級(jí)人才啟動(dòng)基金等項(xiàng)目的資助。（化學(xué)化工學(xué)院）
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c05286
