室温酸性氧化改性石墨纤维毡增强H2 O2 电合成选择性及效率研究

本研究针对传统H2 O2 生产方法的高能耗与安全隐患，通过室温酸性氧化改性石墨纤维毡（GF），系统探究了H2 SO4 、HNO3 和HCl处理对2电子氧还原反应（2ē ORR）的选择性及活性的影响。结果表明，H2 SO4 处理GF的H2 O2 产率提升至163.9 mg/L，为未处理样品的19倍，揭示了结构缺陷、含氧官能团与亲水性对电合成效率的协同调控机制，为绿色化学工艺开发提供新思路。

　　

在环境治理与化工生产中，过氧化氢（H₂
O₂
）因其强氧化性而广泛应用于废水处理、医疗消毒等领域。然而，传统蒽醌法工艺依赖高压氢气与有机溶剂，存在爆炸风险与高碳足迹；光催化法虽绿色但效率不足1%。电化学2电子氧还原反应（2ē ORR）可在常温常压下直接合成H₂
O₂
，但面临4电子路径（4ē ORR）竞争与电极活性不足的挑战。碳基材料如石墨纤维毡（GF）因高导电性和稳定性成为理想阴极，但其疏水性与活性位点稀缺限制了效率。

为解决上述问题，研究人员通过室温酸性氧化改性商业GF，系统比较了H₂
SO₄
、HNO₃
和HCl处理对材料结构与电化学性能的影响。研究采用扫描电镜（SEM）观察纤维形貌，拉曼光谱与傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析缺陷与官能团，结合接触角测试与电导率测量，并通过循环伏安法（CV）和旋转环盘电极（RRDE）技术评估ORR活性。

研究结果

材料表征
SEM显示酸处理未改变GF纤维直径（9-15 μm），但表面粗糙度增加。拉曼光谱中D/G峰强度比升高，证实酸处理引入sp³
缺陷；FTIR检测到羧基（-COOH）与羟基（-OH）等含氧官能团（OFGs）的显著增加，其中H₂
SO₄
处理样品OFGs含量最高。接触角测试表明所有处理均使GF从疏水（原始接触角>120°）转为亲水（<60°），电导率则因sp²
碳骨架破坏而降低。

电化学性能
CV曲线显示酸处理GF的ORR起始电位正移，H₂
SO₄
-GF在0.69 V（vs SHE）处出现明显还原峰。RRDE测试证实H₂
SO₄
处理将2ē ORR选择性提升至80%，H₂
O₂
平衡浓度达163.9 mg/L，远超HCl-GF（41.0 mg/L）与HNO₃
-GF（46.4 mg/L）。Pearson相关性分析表明，H₂
O₂
产率与缺陷密度（R=0.92）、亲水性（R=0.88）及羧基含量（R=0.85）呈强正相关，而与电导率（R=-0.79）负相关。

结论与意义
该研究证实室温酸性氧化可协同调控GF的物理化学性质：H₂
SO₄
通过最大化引入OFGs与缺陷，优化了·OOH中间体吸附能，同时亲水表面促进氧传质，从而打破活性-选择性权衡。相较于高温改性，该方法能耗降低且避免纤维结构损伤，为规模化生产高效ORR电极提供新策略。论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为分布式H₂
O₂
生产装置的开发奠定材料基础。