近日，化學化工學院師生在表界面化學與綠色催化交叉領域取得新進展，相關成果以Electrode Fouling by Gas Bubbles Enables Catalyst-Free Hydrogen Peroxide Synthesis為題發表于國際頂級學術期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。江蘇大學為第一完成單位，化學化工學院博士生宋曉雪為論文第一作者，化學化工學院教授張龍、南開大學教授張新星和澳大利亞科廷大學教授Simone Ciampi為共同通訊作者。
該研究工作發現，固定在多孔碳電極表面上的氣泡所形成的氣-液-固三相界面區域，不僅富集OH?離子并降低其氧化勢能，還可通過抑制過氧化和引入O2捕電子路徑，協同提升H2O2生成效率。該系統在+1.1V（vs.Ag/AgCl）下反應1h可實現8.98mM的產率，無需貴金屬或其他功能性催化劑。研究結合電子順磁共振、同位素標記、原位紅外等手段，系統揭示了三條協同路徑（電化學氧化OH?、電化學氧化H2O和化學還原O2）對H2O2形成的貢獻，同時DFT理論計算進一步驗證了氣泡誘導電化學氧化OH?功函數降低機制。此項工作不僅挑戰了“氣泡阻礙電化學反應”的傳統觀念，為綠色化學合成、清潔能源轉換及環境修復提供了新思路和平臺，具有廣泛的科學價值和應用前景。
上圖直觀展示了O2氣泡固定在多孔碳電極表面所形成的“氣-液-固三相界面”上的離子分布與H2O2生成機制。在電極施加+1.1V電位下，氣泡的雙電荷層內形成富集的OH?區域，顯著降低其氧化為羥基自由基（?OH）的能壘。隨后，?OH可進一步偶聯生成H2O2（紅色箭頭）。與此同時，H2O也可直接通過雙電子氧化路徑生成H2O2（藍色箭頭），該過程在氣泡提供的疏水環境下避免了?OH過度氧化。此外，氣泡周圍的O2還能捕獲前述反應釋放的電子，通過化學還原途徑生成H2O2（綠色箭頭）。三種路徑協同作用，實現了在無催化劑條件下對H2O2的綠色電合成。
該項研究成果得到了國家自然科學基金、江蘇大學高級人才啟動基金等項目的資助。（化學化工學院）
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c05286
