通过界面调控与润湿性梯度工程实现自呼吸电极，用于工业 H2O2 电合成

为什么更好的过氧化物制备方式很重要

过氧化氢在家庭药箱中是常见的消毒剂，但它同样是用于净水、污染处理和制造许多日常产品的重要化学品。目前，几乎所有工业用过氧化氢都在大型工厂通过一种复杂且耗能的工艺生产，这种工艺会产生有害副产物，并使产能局限于少数集中设施。本文探讨了一种截然不同的方案：紧凑的电化学装置，可直接利用空气、水和电力制备过氧化氢，从而为更清洁、更便宜且更本地化的生产打开了可能。

被淹没电极的问题

这些装置的核心是气体扩散电极——一层薄且多孔的材料，必须同时将空气、液态水和导电固体引至反应位点以发生目标反应。在传统设计中，一种类似塑料的粘结剂 PTFE 会熔融包裹碳颗粒以防止水淹没孔隙。但这种“熔合”结构往往形成封闭的补丁和随机通道。在高功率下，大部分碳会被水淹没，氧气无法到达活性位点，电极迅速失去高效生成过氧化氢的能力。

一种新的组装方式

作者提出了一种不同的架构，称为颗粒填充电极。他们不将 PTFE 熔成连续薄膜，而是保持其为细小、彼此独立的颗粒，与碳颗粒紧密混合。借助先进的三维成像和计算模拟，他们表明这种非熔合结构形成了互联的孔道迷宫，疏水的 PTFE 与亲水的碳相并置。这就产生了大量稳定的“三相”点——空气、液体与固体同时接触的微环境——正是氧气能被高选择性转化为过氧化氢的场所。由于孔道保持开放且连通性良好，氧气传输更自由，即使在高电流条件下，淹没问题也明显减轻。

通过梯度引导水与过氧化物

在此基础上，团队不仅简单混合颗粒，还沿电极厚度方向刻意调控孔径与表面润湿性。他们构建了分层的催化涂层：面对空气的一侧极为疏水且孔细微，而面对液体的一侧更易润湿并含有更大的通道。模拟与微流体实验表明，这种梯度像一个内建的泵：毛细力将电解液和新生成的过氧化氢推向更开阔、亲水的区域，同时在其他区域保留供氧的干道。疏水的“屏障”和定向的“排液”相结合，帮助电极抵抗淹没并持续将产物从反应位点移走。

从实验室概念到可用硬件

采用这种梯度设计的电极在工业相关的电流密度（每平方厘米 300–400 毫安）下，仍保持对过氧化氢的高选择性——超过 80% 至 85% 的电流用于生成目标产物——并且在数百小时内无需外加氧气即可稳定工作。作者随后将多片此类电极集成到一个大约小型橱柜大小的四电池堆栈中。配合集成泵、热管理和电力电子系统，该系统在持续运行时直接从空气中取氧，连续生产浓缩的过氧化氢溶液。成本分析表明，过氧化氢的制备成本可远低于每公斤一美元，具有与现有大型方法竞争力的同时占地更小、部署更灵活。

对日常应用的意义

对非专业读者而言，核心信息是：这项工作把抽象的材料微调转化为实用的机器：通过精心排列微小孔隙并调整这些孔隙的润湿行为，研究者制造出一种能够“自呼吸”并在高速率下持续工作的电极。这样的自呼吸电极可为工厂、农场或水处理厂等场所提供现场制氧化剂的过氧化氢发生器，只需接入可再生电力与周围空气即可。如果广泛部署，该方法有望减少这一重要化学品的环境足迹，并在所需之处随时提供清洁的氧化剂。

引用: Tian, Y., Pei, L., Wang, S. et al. A self-breathing electrode enabled by interface regulation and gradient wettability engineering for industrial H₂O₂ electrosynthesis. Nat Commun 17, 1735 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68436-x

关键词: 过氧化氢, 气体扩散电极, 电化学合成, 润湿性梯度, 分散化化学