天然水中高效过氧化氢电合成的耐钙电极策略

《Nature Communications》：Calcium-tolerant electrode strategy for efficient hydrogen peroxide electrosynthesis in natural water

　　

摘要

钙结垢传统上被视为通过二电子氧还原反应（2e^? ORR）进行分散式 H₂O₂ 电合成实际应用的主要障碍。在此，我们证明钙垢出乎意料地增强了 H₂O₂ 的电生产。溶解的 Ca²⁺，而不是沉淀垢，是抑制 H₂O₂ 电合成的主要因素。Ca²⁺ 的界面富集促进了水分解和质子可及性，将反应途径转向 4e^? ORR。为解决这一挑战，开发了一种季铵阳离子表面活性剂修饰的阴极，显示出 H₂O₂ 产量提高了 2.3 倍。理论计算表明，表面活性剂修饰减弱了 Ca²⁺ 的吸附，并通过增强的静电排斥减少了其界面累积。同时，疏水侧链接枝通过破坏界面氢键网络降低了质子可及性，从而提高了 2e^? ORR 的选择性。此外，一种三维聚氨酯海绵围栏阴极结构通过孔限域效应建立了碱性微环境，缓解了 Ca²⁺ 增强的质子可及性，并将 H₂O₂ 电生产提高了 293.3%。这些界面场调控和三维碱性限域策略为设计耐 Ca²⁺ 阴极以实现高效 H₂O₂ 电合成提供了有前景的范例。