水电解过程中最大化过氧化氢的形成

由于可用性高，水被认为是制氢最有用的原料。理想情况下，水转化为氢会产生第二种有用物质：过氧化氢，这是许多工业部门所必需的，例如用于生产消剂。从水分解中获得过氧化氢需要特殊的反应条件。众所周知，碳酸盐的存在是有用的。但为什么会这样还不清楚。德国波鸿鲁尔大学的一个团队现在已经阐明了背后的机制。

由波鸿鲁尔大学电化学中心的 Lejing Li 博士、Carla Santana Santos 博士和 Wolfgang Schuhmann 教授领导的团队于 2024 年 6 月 24 日在《Angewandte Chemie International Edition》杂志上描述了该研究结果。

一石二鸟

“过氧化氢是一种有价值的化学物质，必须使用复杂的工艺生产，而这些工艺并不总是对环境无害的，”沃尔夫冈·舒曼说。如果这种物质可以通过电解水大量获得，那将非常有用，电解水还会产生能量载体氢。“然而，这在热力学上很复杂，”李乐菁解释说。这是因为氧气的生产在能量上更简单。

然而，如果在溶液中加入碳酸盐缓冲剂，情况就会发生变化。这是碳酸(H 2 CO 3)，它可以释放质子(H +)，产生碳酸氢盐(HCO 3 -)，后者可以进一步反应形成二氧化碳(CO 2)。这种缓冲剂有助于保持溶液的pH值稳定。然而，反应溶液中的条件并非处处相同。

水转化为氢和氧的过程发生在两个电极的表面，电极之间施加电压。当带负电的电子转移时，带正电的质子会同时释放出来。质子会改变电极附近的 pH 值，而溶液中较远位置的 pH 值则保持稳定。

当地 pH 值测量

波鸿团队利用自己开发的方法，在不同反应条件下测定了电极附近的 pH 值，并表明当电极附近有大量碳酸氢盐时，会优先产生过氧化氢。在这些条件下，会形成一种中间反应产物，从而阻止不需要的氧气的形成。

李乐菁承认：“这些结果乍一听像是抽象的基础研究。但氢气和过氧化氢的生产极其重要。只有准确了解这些过程，我们才能做得更好。”

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