新型催化剂使过氧化氢的生产效率达到 90% 并提高了安全性和环境可持续性

科学家们在提高用于生产过氧化氢的电化学反应的效率方面取得了重大进展，过氧化氢是消毒、漂白和污水处理中的一种重要化学品（双氧水）。 该反应被称为氧还原反应（ORR），通过开发一类新型的集成磁场异质分子催化剂得到了改进。

一种集成了磁性纳米粒子的新型催化剂可将过氧化氢的生产效率提高到 90%，提供了一种更安全、更环保的方法。 图片来源：©Hao Li et al.

传统的过氧化氢生产方法存在一些挑战：能源密集，浓缩产品难以安全运输。 为了解决这些问题，研究小组研究了一种更高效、更环保的电化学方法。

磁性纳米粒子与分子催化剂的整合： 示意图显示了带有聚合物保护磁性纳米粒子的 CoPc/CB-Mag 催化剂，从而实现了对钴中心的自旋态操纵。 图片来源：©Hao Li et al.

研究小组设计了一种新型催化剂，将酞菁钴（CoPc）分子锚定在炭黑（CB）上，然后将其与聚合物保护磁性（Mag）纳米粒子整合在一起。 这种独特的结构能够有效操纵钴活性位点的自旋态，从而显著提高催化性能。

研究人员发现，CoPc/CB-Mag 催化剂的 H2O2 生产效率高达 90%，显著提高了反应效率。 值得注意的是，这种催化剂只需要极少量的磁性材料--比以前的方法少达七个数量级--使其在大规模应用中更加安全和实用。

催化性能增强： 比较结果表明，磁场集成催化剂提高了过氧化氢生产效率和氧气进化反应性能。 图片来源：©Hao Li et al.

"我们的综合磁场方法可以将钴中心从低自旋状态转移到高自旋状态，而不改变其原子结构，"材料科学高等研究院（WPI-AIMR）的张迪说，"这种自旋转变极大地提高了催化剂在氧还原和进化反应中的内在活性。"

为了了解这种新型催化剂背后的基本机制，他们使用了一种称为综合密度泛函理论（DFT）计算的技术。 了解其工作原理和方式对今后的研究非常重要。"我们发现，高自旋Co位点与含氧中间产物的结合力更强，这对高效催化至关重要，"李浩副教授解释说，"磁场诱导的自旋极化还促进了反应步骤中的电子转移和自旋转换，提高了催化动力学性能。实验结果与理论见解相结合，全面展示了磁场如何增强催化性能。"

这些发现可促进催化活性材料的合理设计，为生产过氧化氢和其他高附加值化学品提供更高效、更环保的途径，从而推动全球在可持续工业流程和碳中和能源技术方面的努力。

DOI: 10.1002/adma.202408461

编译自/ScitechDaily