雙氧水製備有了新方法

◎本報記者 於紫月

紙張漂白、醫療消毒、污水處理……這些與生活息息相關的領域，總少不了過氧化氫（俗稱“雙氧水”）的身影。作為人類生活生產的重要化學品，過氧化氫目前主要通過蒽醌法生產，但該法需高温高壓，能耗高、設備複雜，在儲存和運輸方面存在安全隱患。

近期，研究人員探索出一種更安全、更綠色的過氧化氫製備新方法。清華大學化學工程系副教授趙雪冰帶領團隊，以製漿造紙黑液中的廢棄物木質素為原料，通過產電和電解耦合方式，利用空氣中的氧氣氧化木質素，源源不斷地生成過氧化氫。整個製備系統無需高温、高壓，甚至不用通入外部電源，只需通入空氣即可，為分佈式、移動式製備過氧化氫提供了新的解決方案。日前，相關論文發表於《能源與環境科學》。

木質素變廢為寶

木質素，是一種天然的高碳有機聚合物。聽起來或許有些陌生，但它在生活中隨處可見。伸手觸摸路邊的樹幹，其內裏就富含木質素。它是構成植物骨架的主要成分之一，為木材提供了剛硬的結構支撐。據統計，在全球範圍內，每年植物生長可產生1500億噸幹物質，其中包括200億噸木質素。工業上，木質素常作為製漿和生物煉製過程的副產品或廢棄物出現，每年全球工業木質素產量高達5000萬噸。

“將如此龐大的生物質資源和工業廢物木質素變廢為寶、高效利用，一直是我們團隊努力的目標之一。”趙雪冰在接受科技日報記者採訪時説。

趙雪冰團隊探索出的過氧化氫製備方法的主要創新在於，利用木質素合成了一種新型催化劑，能夠顯著提升電解效率。更值得一提的是，為整個電解系統供能的電源是該團隊此前自主研發的直接生物質燃料電池，“主角”也是木質素。

把二氧化硅“硬塞”進木質素裏，再把二氧化硅“洗掉”，就生成了多孔的碳基催化劑。“有點像做饅頭或麪包。”趙雪冰説，“有了這些孔洞，空氣中的氧氣就很容易鑽進去，反應速率一下子就提上來了。”

這種多孔碳基催化劑為高效製備過氧化氫立下了汗馬功勞。趙雪冰團隊測算，使用這一新方法，過氧化氫產率高達11812毫摩爾/克/小時，法拉第效率達95.7%。也就是説，1克催化劑在1小時內可以促進產生400克過氧化氫，且電子的利用效率高達95.7%。

作為整個製備裝置的主體，電解池主要由碳氈陽極、含有木質素的陽極電解質溶液、塗覆木質素基催化劑的陰極及鹼性陰極電解質溶液構成，不需要額外“通電”。當電解池的陰極中通入空氣，整個系統就如同拉磨的驢子，默默運轉起來。

沒有額外通電，電源從哪裏來？

“電源用的是我們前期的研究成果——以木質素為燃料的生物質燃料電池。”趙雪冰告訴記者。

説是電池，實際上此電池非彼電池。它不是生活中常見的一節一節排列起來的、具有固體形態的電池，而是在陽極上“燃燒”木質素的燃料電池：木質素在電子介體的介導下，將電子傳遞給陽極，在陰極氧氣的氧化力驅動下，電子被進一步傳遞給氧氣。如此一來，自供電系統就構建完成了，使系統完全擺脱了對外部電力的依賴。

新工藝更安全環保

主流的過氧化氫製備方法——蒽醌法因自動化控制程度高，適合大規模生產而廣泛應用，但製備過程需高温高壓並通入氫氣和氧氣，面臨着較高的能耗問題和安全問題。且目前過氧化氫多為集中式生產，再運輸至目的地，運輸過程也不免增加成本和安全隱患。

趙雪冰介紹，團隊提出的新方法得益於自供電系統，能耗較低，可有效減少碳排放量，更綠色環保。這種新方法還可以作為大規模集中式生產業態的補充形式，能夠原位生產過氧化氫，“隨用隨產”，免去了運輸過程產生的各種弊端。此外，該工藝只需常温常壓，且不需加氫，不僅能進一步降低能耗、簡化生產設備，還可有效避免使用氫氣帶來的安全隱患，更安全可靠。

“從實際應用的角度來看，該方法還面臨一些挑戰。”趙雪冰坦言，製備裝置的放大製造以及穩定性還需進一步優化，特別是複雜環境下的電解制備和優化還需研究；過氧化氫難以從鹼性電解質溶液中分離出來，因此需要開發更有效的過氧化氫分離方法；木質素燃料電池和電解池陽極的附加產物分離困難，還需進一步開發有效的分離方法。

談及未來，趙雪冰透露，團隊將圍繞以上難點優化裝置設計和操作條件，開發便攜式設備，努力實現過氧化氫的分散式、移動式原位製備和應用。

另一方面，團隊還將聚焦生物質燃料電池這片藍海，進一步提高電池的效率和穩定性，推動工業化研究和應用。目前，該團隊在實驗室已成功實現將木質素等原料轉化為電能，並獲得了與現有氫燃料電池相當數量級的功率密度水平。

“讓車‘吃草’就能跑起來，這是關於生物質燃料電池的美好願景，也是我們努力的另一大目標。”趙雪冰説，“木質素等生物質是自然界中最豐富的可再生資源，分佈廣泛、易於獲得，如果能將這些生物質轉化為能源、化學品等寶貴資源，必將奏響人類與自然和諧共生的動聽圓舞曲。”