过氧化氢被广泛用作防腐剂、洗涤剂、化妆品、漂白剂和水净化剂，但其商业合成仍然需要浓缩和纯化步骤。该化合物可在工业浓度下用水制成高达60％的溶液，但在许多常见用途中，溶液的稀释度要高得多。因此过氧化氢的商业化应用还面临很多的挑战！

2019年10月11日，世界顶级期刊《Science》在线发表题为“Direct electrosynthesis of pure aqueous H2O2 solutions up to 20% by weight using a solid electrolyte”的研究文章。该研究成果是一种直接由氢和氧合成纯过氧化氢溶液的电化学方法，可简单表示为氢气 氧气 空气 太阳=过氧化氢。

莱斯大学作为论文的第一通讯地址、化学与生物分子工程系的Haoting Wang教授作为通讯作者，博士夏川和夏洋作为第一作者分享了该理论成果。该研究成果的创新点：仅仅需要空气、水和电就可以以所需的浓度和高纯度制备有价值的化学物质。该团队使用了一种基于氧化碳纳米粒子的催化剂。可以在使用时直接合成过氧化氢溶液，而无需运输危险的浓缩化学物质。通过固态电解质，避免目标溶液受到外来离子的污染；通过调节流经电化学电池的水的流速从而调节最终产物过氧化氢的浓度范围为0.3％至20％。是直接由氢和氧合成纯过氧化物溶液的电化学方法。

研究预览：过氧化氢（H2O2）的合成通常需要大量的后反应纯化。该团队使用了一种直接电合成方法，此方法可提供独立的氢气（H2）和氧气（O2）流至由多孔固体电解质组成的阳极和阴极。其中，电化学方法产生的H 和HO2-*以形成纯H2O2水溶液。该团队通过优化双电子氧还原的功能化炭黑催化剂，在当前密度高达每平方厘米200毫安时对纯H2O2的选择性达到了90％以上，这表示H2O2生产率为每平方厘米每小时3.4毫摩尔（每小时每公斤催化剂3660摩尔）。通过调节流过固体电解质的水流速，可以获得高达20％（重量）的浓度范围的纯H2O2溶液，并且催化剂在100小时内保持活性和选择性。

该论文的作者，莱斯大学的教授Haoting Wang和他的学生夏川、夏洋接受了媒体的采访。

Haoting Wang教授说：“如果我们通过太阳能电池板供电，我们实际上可以从阳光，空气和水中获得过氧化氢。”我们不需要消耗有机物或化石燃料。传统的大型化学工厂合成过氧化氢的过程中会产生有机废物，消耗化石燃料并且排放二氧化碳。我们正在做的是绿色合成方法、无需化学能量，不产生任何污染物。”

Haoting Wang教授说：“工业过氧化氢必须以高浓度运输，以最大限度地提高经济效益。” “运输是危险且昂贵的，因为浓缩的化合物不稳定。过氧化氢也会随着时间的流逝而降解，一旦到达目的地就必须将其存储起来。他说：“我们的技术使过氧化氢的生产非本地化。随着可再生电力的输入变得越来越便宜，空气变得免费，水也变得便宜，我们的产品在价格上应该具有竞争力。”

“医院不用储存过氧化氢的容器，而是将其用作消毒剂，将来可以打开水龙头，然后按需获得3％的溶液。房主无需储存化学药品即可对游泳池的水进行消毒，而是可以轻按一下开关，然后打开反应堆来清洁游泳池。” Haoting Wang教授说。

过氧化氢反应堆

赖斯博士后研究员兼首席作者夏川说：“燃料电池可最大程度地减少过氧化氢的产生，从而仅以最大的能源效率生产水。就我们而言，我们想最大化过氧化氢，并且已经调整了催化剂来做到这一点。该电池反应有点类似于燃料电池，其两边都有电极来处理氢气（或水）和氧气（来自空气），并将它们送入两个电极上的催化剂中，该电极将离子导电性多孔固体电解质夹在中间。”

Haoting Wang教授的二年级研究生、该文章的共同主要作者Yang Xia说：“该催化剂经证实具有足够的耐用性，可以在实验室中连续100个小时合成1％重量比的过氧化氢纯溶液，且降解程度可忽略不计。低成本的炭黑催化剂，设置在固体电解质中并被氧化以增强其反应活性，使氧气还原途径以所需的速率和浓度朝着所需的化学物质转移，速率和浓度由施加的电压，空气和水原料以及稳定的去离子水供应确定。该反应在环境温度和压力下进行。”

放大的过氧化氢反应器，图片来源：莱斯大学

“他们实验室计划对大型反应堆和即插即用组件进行工程设计，以期与工业合作伙伴进行测试。他认为工业规模应用（如市政净水系统）前景广阔。莱斯实验室已经在校园雨水上测试了低浓度产品，并证明了其去除有机碳污染物的能力。” Haoting Wang教授说。

“在此之前，过氧化氢的电化学合成受到其产物分离或纯化工艺的限制，但我们已经解决了实际应用中的巨大障碍。” Haoting Wang教授说。

DOI：10.1126/science.aay1844