氮磷摻雜方式對氧化石墨烯催化氧還原制H2O2性能的影響

孫澤涵,劉祥瑞,王昭暉,陳詠梅

(北京化工大學 化學學院，北京100029)

過氧化氫(H2O2)作為氧化劑使用時產物是水，無二次污染問題，因此廣泛應用于化工、醫藥、環保、造紙、紡織、環保、航天及電子等領域[1]。現行的規模化生產工藝是蒽醌法，該工藝將烷基蒽醌與有機溶劑配制成工作溶液，在壓力為0.30 MPa、溫度55～65 ℃、有催化劑存在的條件下通入氫氣進行氫化，再在40～44 ℃下與空氣(或氧氣)進行逆流氧化，經萃取、再生、精制與濃縮制得質量分數20%～30%的過氧化氫水溶液產品，目前市場上95%以上過氧化氫產品都是通過蒽醌法獲得的[2]。然而，由于過氧化氫屬于危化品，在運輸、儲存等方面存在著安全性風險[3-4]；而另一方面，低濃度(質量分數2%～3%)過氧化氫水溶液即可用于日常生活和臨床醫用消毒。為此，基于氧氣在陰極發生2電子還原過程(2e-ORR)設計而成的小型電化學裝置可以用于現場制備H2O2水溶液[5-9]，從而滿足臨床醫學消毒等場合需求。

許多研究結果都證實O2分子在陰極表面發生2e-ORR過程可以生成H2O2，而O2分子在陰極表面發生4e-ORR過程生成OH-/H2O實際上是熱力學更有利的過程，是制備H2O2電流效率的主要影響因素。研究表明，O2分子在陰極表面的還原過程受其在電極表面的吸附模式及結合能大小、導電性、多相催化等因素有關[10-11]。Norskov等通過理論計算認為，碳基材料表面OOH*吸附態較好的脫附能力是保證較高的2e-ORR選擇性的關鍵[12-13]。眾多研究者嘗試對碳材料進行改性，通過在碳骨架中摻入雜原子而改變材料的電子結構，從而改變含氧中間體在材料表面的吸附狀態，最終提高電催化制備過氧化氫的選擇性[14-15]。……