研究背景
海水中電催化二電子氧還原反應（2e? ORR）為過氧化氫（H?O?）生產提供了一種可持續途徑。然而，由于海水中高濃度的Cl?離子以及競爭性的四電子氧還原反應（4e? ORR），目前缺乏高效且長期穩定的海水電催化劑。
在此，華東師范大學余承忠教授，劉超研究員等人在“Nature Sustainability”期刊上發表了題為“Stable and high-yield hydrogen peroxide electrosynthesis from seawater”的最新論文。本研究報道了一種基于 NiPS? 納米片的高性能電催化劑，實現了高效的海水H?O?生成。
具體而言，NiPS?納米片展現出約98%的 2e? ORR選擇性，H?O?產率達 6.0 mol gcat?1 h?1，并在模擬海水環境中表現出超過1000小時的穩定性。其卓越性能來源于 S2?、Ni2? 和 P?? 位點的協同作用，其中八面體S2? 骨架可有效排斥Cl? 離子，Ni2? 位點優化 *OOH中間體的結合強度，而P?? 位點與H?O發生相互作用，促進 *OOH近鄰氧原子的質子化。
該海水電催化體系還可用于固態H?O?的規模化合成、生物質氧化制備有機酸的串聯反應，以及直接利用生成的H?O?作為殺菌劑。當與光伏系統集成后，該太陽能驅動電解裝置可在真實海水環境中運行。本研究成果為海水的可持續轉化及其增值應用提供了新的思路。
研究亮點
(1) 本研究首次利用NiPS?納米片作為高效穩定的2e? ORR 電催化劑，在模擬海水中實現高選擇性H?O?產出，選擇性約 98%，H?O?產率達6.0 mol g?c???1 h?1，并展現出超過1000小時的穩定性。
(2) 研究通過多種表征和理論計算揭示了NiPS? 納米片的優異性能來源于S2?、Ni2? 和P?? 位點的協同作用：
S2? 構成的八面體骨架賦予NiPS?負電荷表面，有效排斥Cl?，增強抗腐蝕能力；
Ni2? 活性位點具有合適的d帶中心，使 *OOH 中間體的結合強度適中，從而提高H?O?產率和選擇性；
P?? 作為路易斯酸位點可結合路易斯堿性H?O 并誘導 *OOH 近端O原子的質子化，從而加速H?O?脫附。
(3) 進一步研究表明，所生成的H?O?可用于多種應用：
通過Na?CO? 絡合形成固態H?O?（Na?CO?·1.5H?O?），產率達0.25 kg g?c???1 h?1；
直接用于催化氧化葡萄糖生成甲酸，轉化率和選擇性均接近100%；
H?O? 海水溶液可直接作為高效殺菌劑。
(4) 該海水H?O?電合成系統可與光伏技術耦合，形成太陽能驅動的電解裝置，在真實海水環境下實現運行，太陽能到 H?O? 轉化效率達19.8%。
圖文解讀
圖1. NiPS3的結構表征。
圖2. 模擬海水中的電催化性能。
圖3. 機理研究。
圖4. 電催化2e - ORR在實際海水中的實際應用。
總結展望
總結而言，本文報道了一種基于NiPS?納米片的 2e? ORR電催化劑，可用于海水中高效合成H?O?。S2?、Ni2? 和 P?? 位點之間的協同作用賦予NiPS?優異的催化性能，使其在模擬海水電解質中展現出超過1000小時的長期穩定性、近98%的 2e? ORR 選擇性，以及6.0 mol g_cat?1 h?1 的 H?O? 產率。此外，NiPS? 在實際海水環境中同樣能夠高效催化 2e? ORR，所生成的H?O?可直接用于規模化合成固態H?O?、催化生物質氧化生成有機酸以及殺菌消毒。
通過海水高選擇性、低能耗制備H?O?的能力，可廣泛應用于水處理、可持續能源存儲、綠色化學工藝及農業領域，尤其適用于海水資源豐富的沿海地區。此外，該體系集成光伏電化學裝置，實現了可持續H?O?生產，進一步凸顯了可再生能源與綠色化學制造結合的潛力。本文研究展示了先進納米材料創新在促進海水資源化利用中的重要性，為綠色化學和可再生能源領域的未來研究和發展提供了新的方向。
原文詳情：
Zhang, C., Shan, P., Zou, Y. et al. Stable and high-yield hydrogen peroxide electrosynthesis from seawater. Nat Sustain (2025).
https://doi.org/10.1038/s41893-025-01538-4
