新型催化剂彻底改变了过氧化氢的生产方式

来自 实验室仪器网

东北大学的科学家在提高产生过氧化氢的电化学反应效率方面取得了重大进展。过氧化氢是污水处理、漂白和消毒等工业过程中使用的关键化学品。这项研究发表在《先进材料》杂志上。通过开发一类结合集成磁场的新型非均相分子催化剂，氧还原反应(ORR)得到增强。

传统的过氧化氢(H2O2)生产方法存在一些缺点。浓缩产品难以安全运输，而且生产过程消耗大量能源。为了解决这些问题，研究团队致力于开发一种环保且更高效的电化学方法。

研究团队将钴酞菁(CoPc)分子附着在炭黑(CB)上，并将其与聚合物保护的磁性(Mag)纳米粒子结合，从而创建了这种新型催化剂。这种独特的结构可以有效操纵钴活性位点的自旋状态，从而显著提高催化性能。

研究人员发现，CoPc/CB-Mag催化剂大大提高了反应效率，产生了令人印象深刻的90%的H2O2。值得注意的是，该催化剂使用的磁性材料比其他方法少了七个数量级，使其更安全，更适合大规模应用。

我们的集成磁场方法可以在不改变其原子结构的情况下将钴中心从低自旋状态转变为高自旋状态。这种自旋转变极大地提高了催化剂在氧还原和析出反应中的固有活性。

研究人员利用完整的密度泛函理论(DFT)模拟来了解这种新型催化剂背后的基本机制。需要进一步研究才能完全理解其工作原理和作用原因。

发现高自旋Co位点与含氧中间体表现出更强的结合力，这对于高效催化至关重要。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跃迁，从而提高了催化动力学。

实验结果和理论见解的结合提供了磁场如何增强催化性能的全面图景。这可以为未来设计新催化剂提供指导。

该研究结果将指导催化活性材料的设计，为全球开发碳中性能源技术和可持续工业流程做出贡献。其目的是创造更具成本效益和环境友好的方法来生产过氧化氢和其他有价值的化学品。

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