天津大學(xué)：過氧化氫合成有望“即產(chǎn)即用”

中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 桑志遠(yuǎn) 劉曉艷 記者 陳欣然）近日，天津大學(xué)材料與工程學(xué)院梁驥教授團(tuán)隊(duì)通過獨(dú)特的層間氫鍵設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出一種高性能電催化劑，實(shí)現(xiàn)了綠色過氧化氫的高效合成，使過氧化氫合成有望實(shí)現(xiàn)“即產(chǎn)即用”，相關(guān)研究日前發(fā)表于國際頂級期刊《自然?通訊》。

電化學(xué)合成技術(shù)可直接利用氧氣和水生成過氧化氫，可在常溫常壓下生產(chǎn)，有望實(shí)現(xiàn)過氧化氫“即產(chǎn)即用”的理想目標(biāo)。但長期以來，催化劑在中性/堿性環(huán)境中活性低、選擇性差、穩(wěn)定性不足，制約了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。梁驥教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種鎳基金屬有機(jī)框架材料（Ni-BTA），該材料具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，使得鎳活性中心與相鄰層的氨基基團(tuán)形成“層間氫鍵”。該效應(yīng)猶如一把“分子鑰匙”，使該材料對于電合成過氧化氫的催化能力精準(zhǔn)匹配理論最優(yōu)值，既保證了反應(yīng)活性，又大幅抑制了副反應(yīng)的發(fā)生。與傳統(tǒng)催化劑依賴金屬中心電子結(jié)構(gòu)調(diào)控不同，團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)材料的分子堆積方式，利用氫鍵等非共價(jià)鍵作用力，實(shí)現(xiàn)了對催化反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控。這種“非配位結(jié)構(gòu)調(diào)控”策略為新型電催化材料的研發(fā)提供了嶄新的思路，未來可拓展應(yīng)用于更多化學(xué)反應(yīng)體系。

測試表明，在中性和堿性環(huán)境中，該催化劑制備過氧化氫的產(chǎn)率遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。在人工海水中，制得的過氧化氫質(zhì)量濃度可快速積累到1%，而在堿性溶液中則可快速積累到3%，均達(dá)到了污染物降解、殺菌等需求的實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。例如，利用該材料在生理鹽水中制備過氧化氫僅30分鐘后即可對大腸桿菌等致病菌實(shí)現(xiàn)100%的殺滅率，并對毒性有機(jī)染料實(shí)現(xiàn)快速降解。

新材料的研發(fā)，不僅破解了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的高能耗、高污染難題，更在中性/堿性環(huán)境及復(fù)雜水質(zhì)中展現(xiàn)出卓越適用性，為污水處理、醫(yī)療消毒等領(lǐng)域帶來全新可能。目前團(tuán)隊(duì)正加快優(yōu)化制備工藝，推動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)線，力爭早日實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)高污染工藝的替代，助力“綠色化工”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。