近日，中国科学院海洋研究所段继周团队在电催化产生活性氧用于海洋污损防护上取得研究进展，合成的功能性催化剂实现了在模拟海水环境中产生过氧化氢活性氧，并原位用于典型海洋细菌杀菌。研究成果发表在国际学术期刊Advanced Science。
过氧化氢（H2O2）作为一种价值高、环境友好的氧化剂和重要的基础化学品，被广泛应用于化学工程工业、能源储存、废水处理等。目前，工业上采用高耗能、高要求的蒽醌法合成H2O2。此外，H2O2溶液在运输和储存中不稳定且具有危险性。为了实现按需和实时应用，通过电化学两电子ORR，利用可再生O2，直接原位生成H2O2。这种合成H2O2的方法是一种有吸引力和非常有望替代蒽醌法的方法。目前，关于ORR电催化制备H2O2的研究主要集中在强酸性或强碱性电解液中，在中性电解液中的研究较少。在中性溶液中合成H2O2对于其实际应用是非常有前景的。此条件下可以避免H2O2制备过程中pH的影响。海水作为地球上储量丰富的资源，是一种很有前途的原位电催化制备H2O2的中性电解液。同时，合成的H2O2在海洋生物污损/杀菌方面具有很大的应用潜力。然而，海水作为电解质在能源系统中的应用研究还处于起步阶段。
研究团队前期探究了金属/碳复合材料在模拟海水中电催化产生过氧化氢的性能，同时进行了原位杀菌性能的初步探究。为了进一步提高催化产活性氧的选择性和产率，在前期研究基础上，本研究通过改变ZIF-8的热解温度，合成了不同氮掺杂类型（石墨氮、吡啶氮和吡咯氮）的非金属N-Cx材料。通过N含量和N掺杂类型的调控，该N-Cx催化剂在模拟海水溶液中表现出较好的2e- ORR催化性能，较高的H2O2产率（631.2 mmol g-1 h-1）和法拉第效率（79.8%）。通过理论计算表明石墨氮的2e- ORR催化活性高于吡啶氮和吡咯氮，且石墨氮的相邻碳原子为活性中心。此外，该催化剂在模拟海水中产生的H2O2具有良好的杀菌效果，对海洋现场杀菌具有重要意义。该研究为海洋资源的能源化利用和微生物防污提供了可能性。
中国科学院海洋研究所特别研究助理王楠为论文第一作者，张瑞永、段继周和侯保荣为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院项目、山东省青年基金等的共同支持。
论文信息：Nan Wang, Shaobo Ma, Ruiyong Zhang*, Lifei Wang, Yanan Wang, Lihui Yang, Jianhua Li, Fang Guan, Jizhou Duan*, Baorong Hou*. Regulating N Species in N‐Doped Carbon Electro‐Catalysts for High‐Efficiency Synthesis of Hydrogen Peroxide in Simulated Seawater. Advanced Science, 2023, 202302446. DOI: 10.1002/advs.202302446.
