格羅寧根大學Nat. Catal.：光催化生產過氧化氫的有機觀點

格羅寧根大學Nat. Catal.：光催化生產過氧化氫的有機觀點

一、導讀

在過去的十年中，全球的研究人員都在努力尋找一種更可持續的生產過氧化氫(H₂O₂)的方法，將其作為化學合成中的強效消毒劑、洗滌劑或清潔氧化劑。考慮到相關的安全問題，H₂O₂也被認為是一種比H₂更有利的能量載體，它完全可溶于水，而且可儲存，更安全的操作和運輸。與普通氫電極(V_NHE)相比，H₂O₂燃料電池的電壓為+1.09 V，與傳統氫燃料電池(+1.23 V_NHE)相當，因此，利用太陽能等綠色可持續能源直接從水中生產H₂O₂將是能源轉型的重大進步。然而傳統化學反應H₂+O₂→H₂O₂，生產H₂O₂的過程氣體混合物有爆炸風險，將其推廣到大量工業應用是不現實的。該領域安全、高效、綠色、兼容的可持續生產H₂O₂研究還有待發展。

二、成果掠影

在此，格羅寧根大學斯特拉廷化學研究所B. L. Feringa和S. B. Beil教授團隊根據在均相催化和光化學方面的研究經驗，確定了H₂O₂生產過程中的障礙，并旨在幫助該研究領域加速發現更可靠和可重復的光催化生成H₂O₂的過程。在有機方法的發展中，高通量儀器、快速分析技術和機器學習極大地促進了研究速度，并使小分子的并行研究和合成成為可能。他們討論了這些技術和見解是否可以被套用到光催化H₂O₂形成領域。特別是在材料開發和表征的界面，有機化學的基本原理可以為催化劑材料的反應性、量化和犧牲劑的使用提供有見地的指導。作者們指出，在有機方法學的發展中，快速分析技術帶來了巨大的發現，但光催化產生的H₂O₂的濃度范圍還不兼容。因此，結合定量技術交叉驗證是至關重要的。增加和優化多相催化劑的催化位點可以增強O₂的吸附和活化，促進H₂O₂的解吸，從而減少其分解。然而，一旦使用碳基催化劑，(弱)催化劑對活性氧的穩定性可能類似于標準的有機化學氧化還原反應(例如，酮-烯醇互變異構或醇-羰基氧化還原對)，在這種情況下，應該重新評估催化劑的設計和機理。雙相系統是一種很有前途的方法來克服分解和流線凈化。然而，需要嚴格評估添加的犧牲試劑，因為它們可能導致假性結果和產生潛在的有毒副產品。犧牲試劑會增加光催化生產H₂O₂的成本，最終必須避免。最后，應考慮將綠色化學原則應用于非均相催化劑材料的合成，以創造可持續且具有成本效益的替代品。

相關研究成果以“An organic perspective on photocatalytic production of hydrogen peroxide”為題發表在國際著名期刊Nature Catalysis上。

三、核心創新點

1、該研究提供了對量化方法、犧牲劑和最佳做法的評估，以避免誤報并支持該領域的進展。

2、在有機方法的發展中，高通量儀器、快速分析技術和機器學習極大地促進了發現速度，并使小分子的并行研究和合成成為可能。該研究探究了這些技術和見解是否可以被套用到光催化H₂O₂形成領域。

四、數據概覽

圖1 在光活性半導體上產生H₂O₂的示意圖和能量圖；? 2023 Springer Nature Limited

圖2 H₂O₂定量技術的比較；滴定法(a)，分光光度法(b)和比色試紙法(c)；? 2023 Springer Nature Limited

圖3 生產vs生產力。可以達到一個最佳點，通常不會討論共同的最佳點；? 2023 Springer Nature Limited

五、成果啟示

綜上所述，光驅動工藝生產H₂O₂是一個很有前途的研究領域，但仍處于起步階段，高活性和穩定的光催化劑難以捉摸。在有機方法學的發展中，快速分析技術帶來了巨大的發現，但光催化產生的H₂O₂的濃度范圍還不兼容。因此，結合定量技術交叉驗證是至關重要的。此外，應考慮將綠色化學原則應用于非均相催化劑材料的合成，以創造可持續且具有成本效益的替代品。光催化生產H₂O₂的目標是取代傳統工藝，綠色溶劑和環境溫度是實現這一目標的關鍵。對各種催化、均相和非均相方法進行更統一的分析和討論，將極大地促進未來H₂O₂的可持續生產。

文獻鏈接：An organic perspective on photocatalytic production of hydrogen peroxide，2023，https://doi.org/10.1038/s41929-023-00980-x）

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本文由LWB供稿。