IBS联合研究团队
利用仅含氧气和水的工艺，以环保方式大规模生产作为化学产业核心物质的过氧化氢之路已经打开。由于成本和碳排放也得以大幅削减，通过后续研究实现商业化应用的可能性大大提高。
基础科学研究院（IBS）14日表示，由研究团团长 Hyun Taek-Hwan（首尔大学化学与生物工程系特聘教授）、副研究团长 Sung Young-Eun（首尔大学化学与生物工程系教授）、加拿大多伦多大学教授 Edward Sargent 等组成的联合研究团队，开发出一种能够以世界最高效率生产过氧化氢的新型电催化剂。该催化剂每1公斤每天可生产6.6吨过氧化氢，研究团队由此刷新了自己在2020年创下的纪录（341.2公斤）。
研究团队开发的催化剂示意图
研究团队开发出一种在碳纳米管表面稳定负载具有平面结构的 CoPc（酞菁钴）的新型电催化剂。利用该催化剂，可以电化学方式生产质量分数为 5wt% 的高浓度过氧化氢。在仅使用环保电能的情况下，用于生产过氧化氢的能耗仅为工业蒽醌法工艺的四分之一（16GJ/ton vs 70GJ/ton）。
＜图片由 IBS 提供＞
过氧化氢不仅广泛用于牙膏、厨房清洁剂等日用品，还应用于需要灭菌的医疗现场和需要去除杂质的半导体工艺等领域。目前，过氧化氢主要通过“蒽醌法”生产，即向名为蒽醌的有机物中加入氢气，再用空气进行氧化。然而，该工艺需要大量使用价格昂贵的贵金属钯催化剂，且工艺复杂，这是其缺点之一。此外，该工艺能耗高，并会产生有机物副产物，引发环境污染问题。
为克服这些缺点，近年来利用向氧气（O2）添加电子的还原过程来生产过氧化氢（H2O2）的电化学方法备受关注。该方法不需要高压或高温，也几乎不产生副产物，因此更加清洁，这是其优势所在，但用于该工艺的合适工业用催化剂尚未开发出来。
研究团队在2020年用廉价金属钴替代贵金属，开发出钴基催化剂，并首次证明可以仅利用水和氧气，通过电化学方式生产过氧化氢。钴每公斤约3万韩元，远低于此前用作催化剂的钯（约6100万韩元）和铂（约4000万韩元）的价格。该催化剂当时展现了世界最高水平的过氧化氢生产效率，但存在只能在比实际工业规模小100倍以上的实验室尺度上保持活性的局限。本次研究在保留既有优势的同时，对催化剂进行了改良，使其在工业规模下也能表现出高活性。
共同作者、加拿大多伦多大学博士后研究员 Lee Byunghoon 表示：“2020年开发的催化剂是将钴原子负载在石墨烯上的形式，而本次研究则是将分子催化剂结合到一种圆筒形碳材料——碳纳米管（CNT）上。分子催化剂虽然比工业上主要使用的催化剂性能更高，但稳定性较差，应用受限，我们这次解决了这一问题。”
新的催化剂在工业适用的电流密度（0.3A/平方厘米以上）下也展现出较高的过氧化氢生产效率，并可生产日常生活中使用的高浓度过氧化氢（质量分数5%）。此外，即便连续生产过氧化氢超过100小时，其性能仍能保持在初始水平的99%以上，稳定性也得到验证。生产1吨过氧化氢所消耗的能量为16吉焦耳（GJ），仅为现有蒽醌法（每吨70GJ）的四分之一。
副研究团长 Sung Young-Eun 表示：“今后计划改良催化剂，使其能够以电化学方式生产超高浓度过氧化氢（质量分数30%）。过氧化氢通常通过与水稀释到所需浓度后使用，如果能够生产高浓缩过氧化氢，就能大幅节省运输成本，从而获得更大的经济效益。”
团长 Hyun Taek-Hwan 称：“此次成果不仅有助于过氧化氢的生产，还有望拓展到利用分子催化剂电化学生产多种有用化学燃料，对学界产生重要影响。”
该研究成果已于当天发表在国际学术期刊《Nature Catalysis》（《自然·催化》，影响因子40.71）在线版上。
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