電化學制過氧化氫是製備過氧化氫的新技術。
基本介紹
- 中文名：電化學制過氧化氫
- 外文名：Electrochemical Oxygen Reduction to Produce Hydrogen Peroxide
過氧化氫簡介,過氧化氫水溶液的套用,氣化過氧化氫的套用,電化學的運用,電化學產過氧化氫,技術難點,科研進展,展望,
過氧化氫簡介
過氧化氫（H2O2）, 又名雙氧水, 是世界上最重要的化學品之一，到2023年，全球年產值將達到55億美元，這大大突出了其日益重要的一點。 雙氧水是一種多功能且環保的氧化劑，具有廣泛的工業和家庭套用，包括殺菌、消毒，以及紙漿和紡織品漂白、廢水處理、化學合成、半導體清潔和廢氣處理。其氧化能力強於氯、二氧化氯，在環境中自然分解成水和氧氣，不產生有害化學殘留物, 因此比其它氧化劑更安全、綠色環保。
過氧化氫是一種用途廣泛且功能多樣的化學品，然而，其工業合成涉及能量密集以及繁瑣的蒽醌過程。因此，通過氧還原電化學反應合成過氧化氫，提供了一種更簡單和更可持續的方法，從而最大化的實現這一重要化學品的使用價值，尤其對於飲用水殺菌的使用。該生產方法可以使飲用水有問題的地區隨時隨地的生產過氧化氫來淨化飲用水或者用於空氣殺菌消毒。
過氧化氫水溶液的套用
除了其廣泛的工業套用，低濃度的雙氧水（低於9%）廣泛用於醫療消毒、家用清潔以及個人護理中。作為消毒劑和抗菌劑的使用，在沖洗和漱口或局部套用時，過氧化氫發揮其氧化活性，產生自由基，從而對蛋白質和膜脂質造成氧化損傷，達到滅活和破壞病原體的目的，並可能防止感染的傳播。3%的雙氧水（醫用級）可供傷口消毒。同時作為跟漂白劑相似的功用（但不含氯，更清潔），可以有效除污漬，除霉劑，除水垢和皂垢。稀釋後的雙氧水也可以清洗果蔬。雙氧水在口腔護理中也有著重要套用，美國食品藥品安全局（FDA）認證使用3%的口腔護理是安全的,同時1%-3%是用於口腔護理常用的有效安全濃度。雙氧水單獨或與鹽組合用於牙科已有70多年的歷史，它是一種有效的牙齒美白劑，同時用雙氧水漱口是克服牙齒問題的常用方法，其可以消除潰瘍、牙齦炎和輕微的口腔感染，同時可以消除口腔內的異味細菌，從而緩解口臭。除此之外雙氧水也可以用於染髮、美容祛痘等。
氣化過氧化氫的套用
除了液相套用之外，氣化過氧化氫是在密閉環境中用於空間淨化的最廣泛使用的消毒劑之一。這主要是由於其安全性，功效，材料相容性和無殘留物。如今，氣化過氧化氫生物淨化技術自投放市場以來已有近30年的歷史，它被用於多種套用，並且在整個生命科學行業中廣為人知。 在醫院等用氣化過氧化氫消毒後一般需要通風，確保過氧化氫殘留在安全濃度以下。美國職業安全與健康管理局（OSHA）和其他國家/地區的其他監管機構已經為過氧化氫暴露制定了準則，將每日平均職業接觸限值設定為為1ppm，確保對人體安全無害。 在低濃度範圍里，研究發現過氧化氫在空氣中仍能展現出很好的殺菌功能。
電化學的運用
電化學處理產生電的化學反應以及與電流通過物質相關的變化。本質上，電化學涉及化學物質在電子導體和離子導體界面之間的反應，在化學物質與電極之間進行電荷傳輸。電極通常由金屬或半導體材料和離子導體組成，離子導體稱為電解質的溶液可以是溶液基的（在水性或有機溶劑中溶解的離子），也可以是固態的。電化學領域是現代研究的重要領域，它統一了電學和化學研究。電化學在諸多領域發揮著重要套用，包括能源轉換和存儲、化學品生產、半導體合成、腐蝕及防護。例如重要的化學品氯氣和氫氧化鈉就是通過電解鹽水產生的。全球的電化學工業每年消耗電量占每年產生電量的10%。許多金屬可以使用電化學方法進行純化或電鍍。 汽車、智慧型手機、電子平板電腦、手錶、心臟起搏器等設備使用電池供電。電池使用化學反應，自發產生電，可以轉化為有用的工作。燃料電池通過化學反應產生電能，它將氫和氧轉化成水，無需燃燒，並在這個過程產生電能，高效清潔。鑒於對能源消耗的不斷增長的需求以及對清潔能源技術的需求，電化學起著越來越重要的作用。
電化學產過氧化氫
電化學先進的氧化工藝最近被開發用於水淨化，其中過氧化氫由注入的氧氣的兩電子還原產生，可有效地用作水處理的氧化劑 。同時電解機和燃料電池等電化學設備可以與風能和太陽能等間歇性電源相結合，因此即使在未與電網相連的偏遠地區也可以使用。產生雙氧水的陰極可耦合到用於水氧化的電解陽極，也可以耦合到燃料電池陽極。通過電解從水和氧氣中產生過氧化氫的電化學可是開發中國家對水淨化需要的更有效戰略，因為開發中國家氫氣可能較不易獲得。電解將全部由可再生電力（如風能或太陽能）驅動，以製造可持續環保運行的設備。除了水淨化以外，通過電化學還原氧氣產生雙氧水為隨時隨地清潔殺菌提供可能，為家庭、辦公等場所提供健康安全環境。
為了使該方法有效，必須要有選擇地避免競爭性的四電子還原形成水路線的活性電催化劑。科學家已經開發出具有活性鉑原子並被惰性汞原子包圍的鉑汞合金，並且目前是酸性條件下最有效的電催化劑之一。 但是，汞的毒性和貴金屬的高價阻礙了其大規模的適用性。需要開發更便宜，更安全的催化劑。挑戰之二是設計更穩定便捷有效的反應設備。現電化學氧化設備設計複雜，同時雙氧水產生的活性自由基可分解細胞（設備）組分，穩定性受限。
技術難點
然而使電化學產雙氧水真正走上套用，現場生產仍面臨巨大挑戰和機遇，其一是開發高活性，高選擇性和低成本的電催化劑，以及設計更穩定便捷有效的反應設備。生產H2O2的理想電催化劑應滿足以下標準：
（a）高活性，允許電化學電池在高電流密度下以低過電勢運行並實現高能效；
（b）高選擇性，因此只產生所需的產物（雙氧水）；
（c）高耐久性，確保長期運行而不會降低性能；
（d）成本低，可大規模實施電化學合成方法，並具有經濟優勢。
科研進展
近幾年，各大學實驗課題組開始研究集中攻克上述技術難點，並已經取得突破性進展。其中斯坦福SUNCAT 界面科學與催化中心在2014-2015年開始立專項，由三位著名的斯坦福教授領銜（包括兩位美國工程院院士），合作五年，研究用於此套用的新型催化劑，以及反應器的開發。研究人員通過理論剖析，化學控制合成及新型檢測方法三線協同研究，進行碳基催化劑的開發。
通過高分子聚合合成多種多孔剛性聚合物骨架結構，首先開發了具有不同孔結構的缺陷碳，通過理論與實驗結果，發現碳缺陷可選擇性促進氧還原生成過氧化氫，同時也發現孔結構在控制催化劑的可及性和穩定性方面起關鍵作用。然後在接下來的課題中，通過在多孔碳材料中構建氮化硼島狀結構，實現了破紀錄效率的電化學制過氧化氫，並結合密度函式理論對其活性位點進行了深入剖析。這些工作為雜原子摻雜碳結構的開發提供了理論借鑑，為氧還原電化學制雙氧水提供了新的思路。
隨後，研究人員也成功設計了一個新型的不需要膜的分散式反應器，裝載自主研發的新型碳基催化劑，可以高效穩定合成過氧化氫，為實際生產使用實現突破。為了進一步將此技術推向套用，其中的兩位技術發明博士及另一位UIUC的博士於2018年底成立PeroPure團隊，並獲得史丹福大學TomCatCenter可持續能源中心孵化支持，項目至今已經獲得巨大進展。
展望
感謝各位科研工作者及創業者的努力，相信在不久的將來，電化學生產過氧化氫這一技術就可以從實驗室推向套用市場，相關產品進入千家萬戶，為大家提供更加綠色環保的殺菌方式，為創造健康生活環境做出貢獻。
