江苏大学/南开大学JACS：电极上气泡起大作用，实现无催化剂H2O2合成

气泡，被定义为由气液界面或气固界面界定的充气囊，超越了其作为被动空穴的经典作用。在基于溶液的反应系统中，气泡附着在底物上是一种常见的现象。

有研究表明，气-液-固三相界面(TPBs)中静止的气泡与固体电极接触，其反应性比体溶液高出数个数量级。表面固定气泡的独特界面特性启发了各种应用。

例如，随后的研究利用气泡进行H₂O₂合成。尽管这些发现挑战了表面气泡对电荷转移反应有害的传统观点，对气泡介导过程的反应机制的深入理解仍然知之甚少。这种未解决的复杂性促使迫切需要进一步研究气-液-固TPBs的电活性行为。

近日，江苏大学张龙、科廷大学Simone Ciampi和南开大学张新星等提出了一种使用固定在多孔碳电极上的微气泡进行电化学合成H₂O₂的三相界面策略。在1.1 V的电位下，在10 mM NaOH溶液中反应1小时后达到8.98 mM的H₂O₂产量。

密度泛函理论(DFT)计算表明，与无气泡界面相比，气泡固定界面的功函数减少了30%，这在热力学上促进了OH^–阴离子的电化学氧化，使其成为H₂O₂生成的关键途径。随后，在有和无O₂的KCl溶液中进行的实验证实了H₂O和O₂参与了H₂O₂合成过程。

结合电子顺磁共振(EPR)、同位素标记-质谱法、原位FTIR和牺牲试剂实验表明，H₂O₂的形成涉及气-液-固三相TPBs中的三个关键机制：(i)OH^–阴离子在电双层中的富集降低了它们氧化成•OH自由基的能垒；(ii)疏水气泡界面抑制了过氧化，有利于双电子水氧化途径；(iii)O₂从先前步骤中捕获电子形成H₂O₂。多次反应循环后，多孔碳电极的化学分成或物理结构没有发生明显变化，证实了其在H₂O₂生产中的稳定。

总的来说，该项研究展示了一种高效、可持续的H₂O₂生产替代方案，推进了界面驱动和无催化剂化学的发展。

Electrode fouling by gas bubbles enables catalyst-free hydrogen peroxide synthesis. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c05286