导电碳/氧化铝混合基质膜阴极高效电催化合成过氧化氢的研究

针对传统H2O2合成工艺的环境风险与贵金属催化剂成本高的问题，天津工业大学团队开发了导电碳/Al2O3混合基质膜（MMM）阴极。通过调控碳化温度（800-1400°C），获得具有核壳结构、高比表面积（465.3 m2/g）和低阻抗（2.82 Ω）的MMM-1000，在2V电压下实现7.27 mg/h/cm2的H2O2产率，为工业级电合成提供了新型膜材料设计思路。

　　

论文解读
在化工生产和环境修复领域，过氧化氢（H₂O₂）因其绿色氧化特性备受青睐，但传统蒽醌法存在爆炸风险和环境污染。尽管电化学2电子氧还原反应（2e^- ORR）是理想替代方案，贵金属催化剂（如PtS_1.38/C）的高成本和粉体碳材料回收难题制约其应用。更棘手的是，现有碳膜长期曝气易结构坍塌，而陶瓷膜虽机械强度高（11.1 MPa）却导电性不足。如何兼具高强度与高效催化成为突破工业应用瓶颈的关键。

天津工业大学研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地将氧化铝（Al₂O₃）与聚合物（聚醚砜PES、磺化聚砜SPSf）复合，通过溶剂蒸发-碳化法制备导电碳/Al₂O₃混合基质膜（MMM）。系统考察碳化温度（800-1400°C）对膜性能的影响后，发现1000°C处理的MMM-1000呈现独特核壳结构：Al₂O₃核心被碳层包裹，兼具98 nm孔径、465.3 m²/g比表面积和13.6 MPa弯曲强度。电化学测试显示其阻抗低至2.82 Ω，在2V电压下H₂O₂产率达7.27 mg/h/cm²，远超同类碳膜（5.21 mg/h/cm²）。原位红外证实*O₂、*OOH等活性中间体存在，密度泛函理论（DFT）揭示碳层增强溶解氧吸附是高效转化的关键。

关键技术方法
研究采用溶剂蒸发法将Al₂O₃（50 wt%）、PES（27 wt%）、SPSf（5 wt%）和表面活性剂F127（1 wt%）共混成膜，经梯度碳化获得MMM。通过SEM、BET和电化学工作站表征微观结构与性能，结合原位FTIR追踪反应路径，DFT计算验证电子转移机制。

研究结果

1. MMM制备与表征：高温碳化使有机组分分解，Al₂O₃颗粒细化，MMM-1000孔隙率28.9%，比表面积较800°C样品提升1.8倍。
2. 电化学性能：MMM-1000的ECSA（电化学活性面积）为26.5 cm²，电子转移数n=2.03，证实2e^- ORR主导路径。
3. H₂O₂合成效能：在流动式EMR中连续运行12小时产率保持稳定，法拉第效率达80.75%。
4. 机理分析：碳层与Al₂O₃界面形成电子富集区，DFT显示O₂吸附能降低0.38 eV。

结论与意义
该研究开创了陶瓷基导电膜材料设计新范式，MMM-1000通过核壳结构协同提升机械强度与催化活性，破解了粉体催化剂回收和膜材料耐久性难题。22.7 mg/h/g的质量比产率为工业级H₂O₂电合成装置开发奠定基础，其“膜反应器一体化”设计对废水处理、化工生产等领域具有普适性启示。