双氧水制备有了新方法

◎本报记者 于紫月

纸张漂白、医疗消毒、污水处理……这些与生活息息相关的领域，总少不了过氧化氢（俗称“双氧水”）的身影。作为人类生活生产的重要化学品，过氧化氢目前主要通过蒽醌法生产，但该法需高温高压，能耗高、设备复杂，在储存和运输方面存在安全隐患。

近期，研究人员探索出一种更安全、更绿色的过氧化氢制备新方法。清华大学化学工程系副教授赵雪冰带领团队，以制浆造纸黑液中的废弃物木质素为原料，通过产电和电解耦合方式，利用空气中的氧气氧化木质素，源源不断地生成过氧化氢。整个制备系统无需高温、高压，甚至不用通入外部电源，只需通入空气即可，为分布式、移动式制备过氧化氢提供了新的解决方案。日前，相关论文发表于《能源与环境科学》。

木质素变废为宝

木质素，是一种天然的高碳有机聚合物。听起来或许有些陌生，但它在生活中随处可见。伸手触摸路边的树干，其内里就富含木质素。它是构成植物骨架的主要成分之一，为木材提供了刚硬的结构支撑。据统计，在全球范围内，每年植物生长可产生1500亿吨干物质，其中包括200亿吨木质素。工业上，木质素常作为制浆和生物炼制过程的副产品或废弃物出现，每年全球工业木质素产量高达5000万吨。

“将如此庞大的生物质资源和工业废物木质素变废为宝、高效利用，一直是我们团队努力的目标之一。”赵雪冰在接受科技日报记者采访时说。

赵雪冰团队探索出的过氧化氢制备方法的主要创新在于，利用木质素合成了一种新型催化剂，能够显著提升电解效率。更值得一提的是，为整个电解系统供能的电源是该团队此前自主研发的直接生物质燃料电池，“主角”也是木质素。

把二氧化硅“硬塞”进木质素里，再把二氧化硅“洗掉”，就生成了多孔的碳基催化剂。“有点像做馒头或面包。”赵雪冰说，“有了这些孔洞，空气中的氧气就很容易钻进去，反应速率一下子就提上来了。”

这种多孔碳基催化剂为高效制备过氧化氢立下了汗马功劳。赵雪冰团队测算，使用这一新方法，过氧化氢产率高达11812毫摩尔/克/小时，法拉第效率达95.7%。也就是说，1克催化剂在1小时内可以促进产生400克过氧化氢，且电子的利用效率高达95.7%。

作为整个制备装置的主体，电解池主要由碳毡阳极、含有木质素的阳极电解质溶液、涂覆木质素基催化剂的阴极及碱性阴极电解质溶液构成，不需要额外“通电”。当电解池的阴极中通入空气，整个系统就如同拉磨的驴子，默默运转起来。

没有额外通电，电源从哪里来？

“电源用的是我们前期的研究成果——以木质素为燃料的生物质燃料电池。”赵雪冰告诉记者。

说是电池，实际上此电池非彼电池。它不是生活中常见的一节一节排列起来的、具有固体形态的电池，而是在阳极上“燃烧”木质素的燃料电池：木质素在电子介体的介导下，将电子传递给阳极，在阴极氧气的氧化力驱动下，电子被进一步传递给氧气。如此一来，自供电系统就构建完成了，使系统完全摆脱了对外部电力的依赖。

新工艺更安全环保

主流的过氧化氢制备方法——蒽醌法因自动化控制程度高，适合大规模生产而广泛应用，但制备过程需高温高压并通入氢气和氧气，面临着较高的能耗问题和安全问题。且目前过氧化氢多为集中式生产，再运输至目的地，运输过程也不免增加成本和安全隐患。

赵雪冰介绍，团队提出的新方法得益于自供电系统，能耗较低，可有效减少碳排放量，更绿色环保。这种新方法还可以作为大规模集中式生产业态的补充形式，能够原位生产过氧化氢，“随用随产”，免去了运输过程产生的各种弊端。此外，该工艺只需常温常压，且不需加氢，不仅能进一步降低能耗、简化生产设备，还可有效避免使用氢气带来的安全隐患，更安全可靠。

“从实际应用的角度来看，该方法还面临一些挑战。”赵雪冰坦言，制备装置的放大制造以及稳定性还需进一步优化，特别是复杂环境下的电解制备和优化还需研究；过氧化氢难以从碱性电解质溶液中分离出来，因此需要开发更有效的过氧化氢分离方法；木质素燃料电池和电解池阳极的附加产物分离困难，还需进一步开发有效的分离方法。

谈及未来，赵雪冰透露，团队将围绕以上难点优化装置设计和操作条件，开发便携式设备，努力实现过氧化氢的分散式、移动式原位制备和应用。

另一方面，团队还将聚焦生物质燃料电池这片蓝海，进一步提高电池的效率和稳定性，推动工业化研究和应用。目前，该团队在实验室已成功实现将木质素等原料转化为电能，并获得了与现有氢燃料电池相当数量级的功率密度水平。

“让车‘吃草’就能跑起来，这是关于生物质燃料电池的美好愿景，也是我们努力的另一大目标。”赵雪冰说，“木质素等生物质是自然界中最丰富的可再生资源，分布广泛、易于获得，如果能将这些生物质转化为能源、化学品等宝贵资源，必将奏响人类与自然和谐共生的动听圆舞曲。”