综述：水氧化电合成H2O2的电催化剂创新策略：从基础到环境应用

本综述系统阐述了通过双电子水氧化反应（2e? WOR）电合成过氧化氢（H2O2）的创新策略，重点探讨了如何提升2e? WOR的选择性与活性、抑制H2O2分解及机理影响因素，并总结了其在消毒、污染物降解等环境领域的应用前景，为绿色安全H2O2生产提供了重要参考。

　　

引言

随着传统化石能源不可持续性及环境问题日益凸显，开发绿色替代能源与解决方案成为迫切需求。过氧化氢（H₂O₂）作为一种强氧化剂，在纤维漂白、水处理、燃料电池等领域应用广泛。目前主流的蒽醌法存在能耗高、副反应多、储存运输风险大等问题，而H₂与O₂直接合成法则面临条件苛刻、选择性低等挑战。电化学合成H₂O₂以水（H₂O）和/或氧气（O₂）为原料，具有绿色、安全、温和等优势，其中双电子水氧化反应（2e^? WOR）因能避免O₂传质限制、提供充足氧源而备受关注。

基础理论

2e^? WOR的热力学基础涉及H₂O₂生成与分解的竞争反应。在酸性介质中，2e^? WOR生成H₂O₂的标准电位为1.76 V（vs. RHE），而4e^? WOR生成O₂的标准电位为1.23 V，二者存在选择性竞争。关键评价参数包括法拉第效率（FE）、H₂O₂产率、选择性等。理论计算（如密度泛函理论DFT）有助于揭示催化剂表面结构与活性的关系。此外，电解质成分（如pH、阴离子种类）和反应器构型（如流动池、滴流床反应器）对2e^? WOR性能有显著影响。

创新电催化剂策略

为提升2e^? WOR性能，研究者开发了多种创新策略：

1. 1.
   形貌与晶面调控：通过暴露特定晶面（如BiVO₄的{010}面）优化活性位点分布。
2. 2.
   结构优化：设计多孔、中空结构以增加比表面积和传质效率。
3. 3.
   掺杂工程：引入异质元素（如N、S掺杂）调节电子结构。
4. 4.
   缺陷引入：构建氧空位等缺陷位点以增强吸附能。
5. 5.
   表面修饰：利用有机分子或聚合物修饰表面，抑制副反应。
6. 6.
   双活性位点策略：协同不同位点（如金属-碳界面）促进H₂O₂生成。
7. 7.
   反应条件优化：调控电位、温度等参数以平衡活性与稳定性。
8. 8.
   双通道路径构建：结合2e^? WOR与2e^? ORR，实现高效H₂O₂累积。

过氧化氢分解抑制

H₂O₂易发生化学歧化或电化学还原，导致产率下降。抑制策略包括添加稳定剂（如磷酸盐）延缓分解，以及采用气泡屏蔽法减少H₂O₂与电极接触。

环境应用

2e^? WOR生成的H₂O₂可直接用于环境修复：

• •
  消毒：在电场作用下产生羟基自由基（·OH）等活性氧物种（ROS），高效灭活病原微生物。
• •
  污染物降解：通过类芬顿反应降解有机污染物，尤其适用于缺氧环境（如深層土壤、高原地区）。

总结与展望

尽管2e^? WOR在H₂O₂绿色合成中展现出巨大潜力，但仍面临催化剂种类有限、机理不明确、实际应用挑战等问题。未来需拓展催化剂体系（如单原子催化剂SACs），深化反应机理研究，并推动与可再生能源耦合的规模化应用。