固液界面电荷转移驱动双功能器件实现H2O2自发合成与能量收集

本研究通过设计一种基于氟化乙烯丙烯（FEP）管的双功能器件，解决了传统固液界面能量收集效率低与H2O2合成依赖外部能源的难题。研究人员发现流动水相与FEP界面电子转移可同步产生羟基自由基（·OH）和电能，实现H2O2浓度达18μM及5.8 kW/m3超高功率输出，为海洋物联网设备供能及废水处理提供新策略。

　　

自然界中固液界面接触起电现象普遍存在，但如何利用这种界面效应实现化学合成与能量收集的双重功能一直是科学界难题。传统H₂O₂生产依赖能源密集型工艺，而波浪能收集装置往往功率密度不足。更关键的是，固液界面电荷转移机制存在争议——究竟是电子、离子还是自由基主导这一过程？这些问题严重制约了相关技术的实际应用。

东华大学纤维材料改性国家重点实验室的研究团队在《Nature Communications》发表的研究给出了创新解决方案。通过设计氟化乙烯丙烯（FEP）管基双功能器件，首次实现流动水相中H₂O₂自发合成与能量收集的协同效应。研究发现界面电子转移会诱导液相产生·OH并最终形成H₂O₂，同时通过聚苯乙烯（PS）隔离层和电极结构优化，使水流能量收集功率密度提升至5.8 kW/m³，较现有波浪能收集技术提高一个数量级。

研究主要采用四项关键技术：1）Kelvin探针力显微镜（KPFM）表征固液界面电子转移；2）1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷（PFDTMS）修饰FEP管内壁增强电负性；3）2',7'-二氯荧光素二乙酸酯（DCF-DA）荧光探针检测H₂O₂生成；4）电纺PS纳米纤维隔离层抑制界面电荷复合。

固液界面发电与H₂O₂同步产生机制

通过KPFM证实FEP-水界面以电子转移为主导，接触后FEP表面电位下降840V。流动水相中·OH通过电子损失转化为OH^-，进而自结合生成H₂O₂，经紫外光谱检测浓度可达18μM。

性能优化策略

PFDTMS修饰使FEP表面-CF₃基团增加，电负性提升促使H₂O₂产量提高125%。添加0.05 mM NaOH可提升输出电压至312.5V，但过量OH^-会削弱界面电容。PS隔离层使电荷密度提升63%，最终实现9.35W/m²功率输出。

应用验证

在模拟海水（3.5wt% NaCl）中，该器件驱动阴极保护系统使低碳钢腐蚀延迟3倍；集成8个器件可传输15米无线警报信号；连续摩擦可使甲基橙色度降解93.5%，展示其在防腐、环境监测及污水处理中的潜力。

这项研究不仅阐明固液界面电子转移驱动化学反应的机制，更开创性地将界面效应转化为实际应用。5.8 kW/m³的功率密度刷新了液态TENG性能纪录，而无需外部能源的H₂O₂生产方式为绿色化学合成提供新范式。研究者特别指出，界面生成的·OH和局部电场协同作用产生抗菌效果，这种多效合一的特性使该技术在海洋装备、环境治理等领域具有广阔前景。未来通过优化液相组分和扩大器件阵列，有望实现更大规模的波浪能收集与化学转化。