電催化合成H2O2選擇性如何測定？

2020-08-19 讀懂科學

過氧化氫(H2O2)是世界上最重要的基礎化學品之一，廣泛應用於化學合成、漂白、廢水處理、消毒等領域。目前，全球超過95%的H2O2生產來自於成熟的蒽醌工藝，該工藝是由Riedl和Pfleiderer在1939年開發的，後來於1953年在化工廠進行大規模生產。然而，這種合成過程存在大量的碳排放以及有機廢物。此外，集中式H2O2生產需要運輸和儲存不穩定和危險的散裝H2O2溶液。利用可再生電力的能量輸入，通過氧還原或水氧化的電化學合成H2O2，為H2O2的合成提供了綠色和可持續的路線。然而，這方面的挑戰是開發高選擇性的催化劑，以將反應路徑引導至所需產物。

有鑑於此，美國萊斯大學汪淏田教授等人，報告了H2O2的電化學合成的兩種不同類型的H2O2選擇性：摩爾分數選擇性和法拉第選擇性。重新審視了它們的定義，並討論報告了H2O2選擇性的最佳方法，這可以避免在這個領域中產生誤解或不公平的性能比較。

本文要點

要點1. 1887年，Traube報導了第一個用於ORR選擇性生成H2O2的催化劑，該催化劑使用的是一種Hg-Au催化劑。近年來發現了更多種類的材料，包括金屬合金、碳、單原子催化劑等，顯示出非凡的H2O2選擇性。隨著H2O2催化劑的報導呈指數級增長，一種標準規範的H2O2選擇性評價方法將有助於研究者對不同催化劑進行公平的比較，極大地促進該領域的健康發展。

要點2. 然而，研究人員報到的H2O2選擇性存在不同類型，這可能會引起研究者的混淆，特別是對於那些來自不同研究背景的研究者。一種H2O2選擇性為摩爾分數，廣泛應用於旋轉圓盤電極(RRDE)的測量，另一種是法拉第效率，通常來自滴定法或光譜定量方法。儘管這兩種選擇性具有完全不同的定義和不同的數據集，但令人擔憂的是，有時它們可以互換使用，尤其是在最近的出版物中。因此，目前是重新審視H2O2選擇性定義並討論最合理的報告方法的適當時機，該方法可以作為公平比較的標準，並有助於避免在以後的電化學合成H2O2報告中出現任何混淆或錯誤。

要點3. 該工作將有助於研究人員規範催化性能的表徵，同時限制假陽性結果的可能性。這一做法最終將有助於更好地了解新的H2O2電催化劑的內在催化性能。在未來的研究中，更實用的H2O2生成電化學系統將成為2e--ORR催化劑大規模應用的關鍵。然而，由於RRDE測試已經並且將仍然是評價2e--ORR催化性能的主要方法，所以將RRDE和其他電化學方法中的ORR選擇性統一起來是很重要的。

Xia, C., Kim, J.Y.(. & Wang, H. Recommended practice to report selectivity in electrochemical synthesis of H2O2. Nat Catal 3, 605–607 (2020).

DOI: 10.1038/s41929-020-0486-1

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