使用有机催化剂的电化学脱氧电解槽

《Advanced Sustainable Systems》：Electrochemical Deoxygenation Electrolyzers Using an Organic Catalyst

氧还原反应（ORR）催化剂的突破：聚苯并咪唑苯并菲南酮（BBL）涂层碳纤维纸电极在含低浓度邻苯二酚电解液中实现高效脱氧，DO浓度降至0.1 mg/L以下，且通过红ox添加剂补偿反应抑制H2O2生成。

　　在现代工业与能源领域，氧气的去除是许多系统运行中的关键环节。尤其是在涉及热流体的场景中，氧气的存在不仅会导致设备腐蚀，还可能引发一系列不利的化学反应，影响系统的稳定性和效率。因此，开发高效、经济且可持续的氧气去除技术成为研究的重点。近年来，电化学去氧技术因其低能耗、高效率以及对环境友好的特点而受到广泛关注。然而，传统的电化学去氧系统通常依赖贵金属催化剂，如铂、钯和铱，这些材料不仅成本高昂，而且在长期运行中易发生溶解和中毒现象，限制了其在大规模应用中的可行性。为了解决这一问题，研究者们开始探索非贵金属催化剂，特别是有机材料，作为替代方案。

在本研究中，一种新型的n型导电共轭聚合物——聚(苯并咪唑苯并菲咯啉)（BBL）被引入作为氧气还原反应（ORR）的催化剂。BBL是一种有机材料，其结构具有良好的电子传导性，同时避免了金属催化剂常见的氧化层形成问题。这种特性使其成为一种极具潜力的金属替代催化剂。通过在碳纤维纸（CFP）电极上涂覆BBL薄膜，研究人员构建了一种新型的电化学去氧装置，以提高氧气去除效率并降低运行成本。

实验结果显示，BBL涂层显著提升了电极对ORR的催化活性。在0.1 mol/L NaCl溶液中，BBL涂层的电极表现出高达100 A/g的比活性，远高于传统非贵金属催化剂。此外，该研究还引入了一种补偿性氧化反应，即通过添加红ox添加剂（如儿茶酚）来平衡ORR，从而减少氧气的浓度。这种设计使得电化学去氧装置能够在较低电压下运行，同时有效避免了因ORR不完全而导致的过氧化氢（H?O?）的生成。H?O?作为一种强氧化剂，不仅会腐蚀系统，还可能对后续的化学过程产生干扰，因此，抑制其生成对提升去氧效率至关重要。

为了验证BBL的催化性能，研究人员通过多种电化学技术进行了详细分析。例如，采用旋转圆盘电极（RDE）技术，在氧气饱和的电解液中测试BBL的电催化活性。结果表明，BBL能够通过四电子路径高效还原氧气，生成水，而不会产生显著的H?O?。这与商业铂基催化剂的性能相当，但BBL的优势在于其成本低廉且不会因氧化而失效。进一步的分析表明，BBL的电化学行为在不同pH条件下表现稳定，且其表面的化学结构在电化学处理后发生明显变化，这有助于提升其对氧气的还原能力。

为了更好地理解BBL在电化学去氧过程中的作用机制，研究人员还进行了X射线光电子能谱（XPS）分析，以研究其在不同电位下的化学状态变化。结果表明，BBL在n掺杂状态下，其氮和氧的化学环境发生了显著变化，这与电化学过程中的电子转移密切相关。通过分析XPS谱图，研究人员确认了BBL在电化学处理后形成了更丰富的碳氮键和氧碳键，这些键的存在可能促进了氧气的高效还原。此外，研究还发现，BBL在电化学处理过程中表现出良好的稳定性，不会发生明显的降解，这为其实用化提供了重要依据。

在实际应用中，BBL涂层被成功地应用于CFP电极，从而构建出一种高效的电化学去氧装置。该装置采用对称或不对称结构，其中CFP作为阳极，负责驱动儿茶酚的氧化反应，而BBL涂层的CFP作为阴极，专门用于氧气的还原。实验表明，当电解液中添加0.001 mol/L的儿茶酚时，该装置能够在短时间内将溶解氧（DO）浓度降至0.1 mg/L以下，表现出极快的去氧动力学特性。相比之下，未添加儿茶酚的系统在去氧过程中仍会生成一定量的H?O?，这表明儿茶酚的引入对于优化去氧反应至关重要。

此外，研究人员还通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对BBL涂层的形成过程进行了可视化和成分分析。结果显示，BBL能够在CFP表面形成一层薄而均匀的薄膜，该薄膜不仅保持了良好的导电性，还显著增强了电极的催化活性。通过这些表征手段，研究人员进一步确认了BBL在电化学去氧中的作用机制，包括其在不同电位下的电导率变化、化学结构的稳定性以及对氧气还原的高效催化。

为了进一步提升去氧效率，研究团队还探索了通过引入多孔碳材料（如活性炭和凯登黑粉末）来增加电极的表面积。这种复合电极不仅提高了电化学反应的接触面积，还增强了氧气的传输能力，从而加快了去氧反应的速度。实验数据表明，经过优化的电极结构能够显著提高系统的整体性能，使溶解氧的去除速度提升近一倍，达到接近理论极限的水平。

本研究还对儿茶酚的氧化过程进行了深入探讨。在电化学去氧系统中，儿茶酚作为补偿性氧化剂，能够提供所需的电子和质子，从而维持系统中电荷的平衡。当儿茶酚浓度较低时，其氧化反应能够有效驱动氧气的还原，同时避免了H?O?的大量生成。然而，当儿茶酚浓度增加时，其氧化产物（如醌）可能扩散至阴极，并与氧气发生反应，生成H?O?。这一现象表明，儿茶酚的浓度选择对于系统性能至关重要，过高或过低的浓度都可能影响去氧效率。

通过对比实验，研究人员还评估了不同浓度的儿茶酚对系统去氧效果的影响。结果显示，0.001 mol/L的儿茶酚能够最大程度地减少H?O?的生成，同时显著提升氧气的去除效率。而当儿茶酚浓度超过一定阈值时，H?O?的生成量反而增加，这可能是由于电化学反应过程中pH值的变化所导致的。在酸性条件下，BBL的ORR路径可能会从四电子路径转向两电子路径，从而生成更多的H?O?。因此，优化电解液中的儿茶酚浓度，以维持适宜的pH值，是提升系统性能的关键。

在实际应用中，该电化学去氧装置表现出良好的稳定性与可重复性。实验数据表明，即使在长时间运行后，BBL涂层仍然保持其催化活性，且未出现明显的性能下降。这一特性使得BBL成为一种具有广泛应用前景的催化剂材料，特别是在涉及热流体的工业场景中。此外，该装置的设计还考虑了经济性和可持续性，避免了对贵金属的依赖，从而降低了整体运行成本。

本研究的成果不仅为电化学去氧技术提供了一种新的解决方案，也为未来开发高效、环保的去氧系统奠定了基础。通过引入BBL作为ORR催化剂，结合儿茶酚作为补偿性氧化剂，研究人员成功构建了一种低成本、高效率的电化学去氧装置，其在实际应用中展现出巨大的潜力。未来，进一步优化电极材料的结构与组成，以及深入研究儿茶酚的氧化机制，将有助于提升该技术的性能，并拓展其在更多领域的应用。