用于在工业电流密度下纯过氧化氢电合成的结构自适应单原子镍催化剂

为日常生活提供更清洁的漂白剂和消毒剂

过氧化氢默默支撑着现代生活，从纸张漂白和废水净化到医疗器械消毒。如今它大多在大型化工厂生产然后全球运输，这既耗能又带来安全与污染问题。本研究探讨了一种新途径：在紧凑装置中直接从空气和水制备过氧化氢，所用材料是一种工作时能自我调节结构的智能镍基材料。

我们为何需要新的制备方式

传统工业制备过氧化氢依赖于一种较老的工艺，使用石油衍生的液体，能耗高且在储运过程中需要小心处理。相比之下，电化学制备利用电能将空气中的氧与水结合生成过氧化氢，按需制取。如果以可再生能源供电，此类系统可为工厂、医院和处理厂提供清洁、就地的供给。主要障碍在于难以找到一种在实际工业所需高电流密度下既高效又耐久的催化材料。

会自我重塑的单原子镍支架

研究人员设计了一种催化剂：单个镍原子锚定在多孔碳表面，并由氮和硼原子包围。这些精心排列的周围原子控制每个镍原子与氧在反应中的相互作用。在静止时，镍处于研究团队称为 NiB2N2 的构型，表示相邻有两个硼和两个氮。在工作电压下，一个镍—硼键会轻微断裂，结构转变为新的构型 NiB1N2，从而更强地结合反应中间体。该结构转变发生时镍原子并未团聚在一起——而团聚是许多单原子材料常见的失效模式。

催化剂如何将氧引导为过氧化氢

在电化学电池中，氧可沿若干路径反应，其中一种路径将其完全还原为水，另一种则在中途停留生成过氧化氢。新的镍位点被调谐为有利于产生过氧化氢的两电子路径，并且以恰到好处的强度吸附关键中间体以促进高效反应。运行中进行的先进X射线和拉曼测量显示，尽管镍与硼、氮的键长发生细微伸缩，镍的电荷态几乎保持不变。计算机模拟表明，这种键长的柔性会在镍中心周围重新分配电子，起到内建缓冲的作用，从而稳定期望的反应通道。

把空气和水变成高浓度过氧化物

为测试实际性能，团队构建了一个固体电解质电池：氧气在一侧流过镍催化剂，而水和离子通过中间的特殊膜移动。该布局使得过氧化氢能够以近纯液体形式形成和收集，而不是混入大量支撑盐溶液中。利用他们的结构自适应镍材料，研究人员实现的产率远高于可比催化剂，并在广泛操作条件下保持高效率。在与工业相当的电流水平下，该装置连续产生约5% 的过氧化氢溶液超过300小时，产量损失很小。

对未来绿色化学的意义

简而言之，这项工作表明可以构建在工作条件下“自我调节”原子排列的催化剂，从而保持稳定性能而非逐渐退化。将这种会变形的镍材料与精心设计的电池相结合，研究人员展示了向能够就地制备清洁过氧化氢的紧凑单元迈进的路径。如果放大应用，此类系统可减少对大型集中式工厂的依赖，降低这种支撑许多日常产品和水处理技术的化学品的环境足迹。

引用: Wang, Z., Jia, H., Xie, A. et al. Structure-adaptive single-atom nickel catalysts for pure hydrogen peroxide electrosynthesis at industrial current density. Nat Commun 17, 4431 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71120-9

关键词: 过氧化氢, 电催化, 镍催化剂, 单原子催化剂, 绿色化学