得益于O3和H2O2较强的氧化性,通过电化学原位制备O3和H2O2并将其用电降解污染物被认为是一种新型且高效的降解技术。在电解水阳极反应中,相较于OER反应,电解水产臭氧(EOP)表现出一个更高的过电势(1.51 V)。因此,高过电势成为了优异EOP电催化剂的必要条件。而对于阴极的氧还原反应(ORR)来说,生成H2O2的2e- ORR则需要更低的反应电势(0.7 V)。因此,阴阳极上的不同电势趋向限制了O3和H2O2的电化学协同制备。通过将催化剂改性以实现O3和H2O2高选择性制备是新的思路,其中能够暴露不同指数晶面的多面体电催化剂可以为O3和H2O2产生提供不同的反应位点。因此,合理设计具有适宜电位和可调控指数晶面的电催化剂以促进O3和H2O2协同制备值得尝试。
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基于以上问题,浙江工业大学钟兴教授和王建国教授团队以“多尺度模拟-催化剂-膜电极-电反应器”为研究思路,近年来在阳极氧化、阴极还原分别制备臭氧和双氧水开展了系统研究,而同时产生臭氧和双氧水由于不匹配的电位和低选择性的限制,合理设计双功能电催化剂并同时用于原位电化学合成O3和H2O2仍然是一个重大挑战。在该工作中,团队设计并合成具有不同指数晶面构建的Bi6PbnOx八角锥状电催化剂。特殊八角锥多面体结构以及Bi2O3和Bi12Pb0.89O19.78之间的异质结界面有利于暴露出丰富的活性中心,且通过调节微晶面可以实现对EOP和2e- ORR的不同反应活性。
理论计算表明,多面体电催化剂所暴露的高指数443晶面由于其较低的氧空缺形成能,对EOP表现出良好的促进作用,而具有相对较低过电势的低指数100晶面则在2e- ORR中起关键作用。
最终将阴阳极产生H2O2和O3耦合用于电化学降解,得益于二者协同产生的羟基自由基,该策略可实现有机污染物的高效降解。
该成果以“Convex polyhedral nanocrystals with high-index and low-index microfacets for electrochemical co-production of ozone and hydrogen peroxide”为题发表于国际刊物《Chem Catalysis》。论文通讯作者为钟兴教授、朱艺涵教授和王建国教授;第一作者为时怀杰博士、冯格博士和孙土来副研究员。该工作得到国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、国家自然科学基金等项目的资助。点击文末“阅读原文”获取全文。
浙工大化工学院
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