紙張漂白、醫(yī)療消毒、污水處理……這些與生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，總少不了過(guò)氧化氫（俗稱(chēng)“雙氧水”）的身影。作為人類(lèi)生活生產(chǎn)的重要化學(xué)品，過(guò)氧化氫目前主要通過(guò)蒽醌法生產(chǎn)，但該法需高溫高壓，能耗高、設(shè)備復(fù)雜，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面存在安全隱患。
近期，研究人員探索出一種更安全、更綠色的過(guò)氧化氫制備新方法。清華大學(xué)化學(xué)工程系副教授趙雪冰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，以制漿造紙黑液中的廢棄物木質(zhì)素為原料，通過(guò)產(chǎn)電和電解耦合方式，利用空氣中的氧氣氧化木質(zhì)素，源源不斷地生成過(guò)氧化氫。整個(gè)制備系統(tǒng)無(wú)需高溫、高壓，甚至不用通入外部電源，只需通入空氣即可，為分布式、移動(dòng)式制備過(guò)氧化氫提供了新的解決方案。日前，相關(guān)論文發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》。
木質(zhì)素變廢為寶
木質(zhì)素，是一種天然的高碳有機(jī)聚合物。聽(tīng)起來(lái)或許有些陌生，但它在生活中隨處可見(jiàn)。伸手觸摸路邊的樹(shù)干，其內(nèi)里就富含木質(zhì)素。它是構(gòu)成植物骨架的主要成分之一，為木材提供了剛硬的結(jié)構(gòu)支撐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，每年植物生長(zhǎng)可產(chǎn)生1500億噸干物質(zhì)，其中包括200億噸木質(zhì)素。工業(yè)上，木質(zhì)素常作為制漿和生物煉制過(guò)程的副產(chǎn)品或廢棄物出現(xiàn)，每年全球工業(yè)木質(zhì)素產(chǎn)量高達(dá)5000萬(wàn)噸。
“將如此龐大的生物質(zhì)資源和工業(yè)廢物木質(zhì)素變廢為寶、高效利用，一直是我們團(tuán)隊(duì)努力的目標(biāo)之一?！壁w雪冰在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
趙雪冰團(tuán)隊(duì)探索出的過(guò)氧化氫制備方法的主要?jiǎng)?chuàng)新在于，利用木質(zhì)素合成了一種新型催化劑，能夠顯著提升電解效率。更值得一提的是，為整個(gè)電解系統(tǒng)供能的電源是該團(tuán)隊(duì)此前自主研發(fā)的直接生物質(zhì)燃料電池，“主角”也是木質(zhì)素。
把二氧化硅“硬塞”進(jìn)木質(zhì)素里，再把二氧化硅“洗掉”，就生成了多孔的碳基催化劑。“有點(diǎn)像做饅頭或面包。”趙雪冰說(shuō)，“有了這些孔洞，空氣中的氧氣就很容易鉆進(jìn)去，反應(yīng)速率一下子就提上來(lái)了?！?/p>
這種多孔碳基催化劑為高效制備過(guò)氧化氫立下了汗馬功勞。趙雪冰團(tuán)隊(duì)測(cè)算，使用這一新方法，過(guò)氧化氫產(chǎn)率高達(dá)11812毫摩爾/克/小時(shí)，法拉第效率達(dá)95.7%。也就是說(shuō)，1克催化劑在1小時(shí)內(nèi)可以促進(jìn)產(chǎn)生400克過(guò)氧化氫，且電子的利用效率高達(dá)95.7%。
作為整個(gè)制備裝置的主體，電解池主要由碳?xì)株?yáng)極、含有木質(zhì)素的陽(yáng)極電解質(zhì)溶液、涂覆木質(zhì)素基催化劑的陰極及堿性陰極電解質(zhì)溶液構(gòu)成，不需要額外“通電”。當(dāng)電解池的陰極中通入空氣，整個(gè)系統(tǒng)就如同拉磨的驢子，默默運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。
沒(méi)有額外通電，電源從哪里來(lái)？
“電源用的是我們前期的研究成果——以木質(zhì)素為燃料的生物質(zhì)燃料電池?！壁w雪冰告訴記者。
說(shuō)是電池，實(shí)際上此電池非彼電池。它不是生活中常見(jiàn)的一節(jié)一節(jié)排列起來(lái)的、具有固體形態(tài)的電池，而是在陽(yáng)極上“燃燒”木質(zhì)素的燃料電池：木質(zhì)素在電子介體的介導(dǎo)下，將電子傳遞給陽(yáng)極，在陰極氧氣的氧化力驅(qū)動(dòng)下，電子被進(jìn)一步傳遞給氧氣。如此一來(lái)，自供電系統(tǒng)就構(gòu)建完成了，使系統(tǒng)完全擺脫了對(duì)外部電力的依賴(lài)。
新工藝更安全環(huán)保
主流的過(guò)氧化氫制備方法——蒽醌法因自動(dòng)化控制程度高，適合大規(guī)模生產(chǎn)而廣泛應(yīng)用，但制備過(guò)程需高溫高壓并通入氫氣和氧氣，面臨著較高的能耗問(wèn)題和安全問(wèn)題。且目前過(guò)氧化氫多為集中式生產(chǎn)，再運(yùn)輸至目的地，運(yùn)輸過(guò)程也不免增加成本和安全隱患。
趙雪冰介紹，團(tuán)隊(duì)提出的新方法得益于自供電系統(tǒng)，能耗較低，可有效減少碳排放量，更綠色環(huán)保。這種新方法還可以作為大規(guī)模集中式生產(chǎn)業(yè)態(tài)的補(bǔ)充形式，能夠原位生產(chǎn)過(guò)氧化氫，“隨用隨產(chǎn)”，免去了運(yùn)輸過(guò)程產(chǎn)生的各種弊端。此外，該工藝只需常溫常壓，且不需加氫，不僅能進(jìn)一步降低能耗、簡(jiǎn)化生產(chǎn)設(shè)備，還可有效避免使用氫氣帶來(lái)的安全隱患，更安全可靠。
“從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，該方法還面臨一些挑戰(zhàn)?！壁w雪冰坦言，制備裝置的放大制造以及穩(wěn)定性還需進(jìn)一步優(yōu)化，特別是復(fù)雜環(huán)境下的電解制備和優(yōu)化還需研究；過(guò)氧化氫難以從堿性電解質(zhì)溶液中分離出來(lái)，因此需要開(kāi)發(fā)更有效的過(guò)氧化氫分離方法；木質(zhì)素燃料電池和電解池陽(yáng)極的附加產(chǎn)物分離困難，還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)有效的分離方法。
談及未來(lái)，趙雪冰透露，團(tuán)隊(duì)將圍繞以上難點(diǎn)優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)和操作條件，開(kāi)發(fā)便攜式設(shè)備，努力實(shí)現(xiàn)過(guò)氧化氫的分散式、移動(dòng)式原位制備和應(yīng)用。
另一方面，團(tuán)隊(duì)還將聚焦生物質(zhì)燃料電池這片藍(lán)海，進(jìn)一步提高電池的效率和穩(wěn)定性，推動(dòng)工業(yè)化研究和應(yīng)用。目前，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)將木質(zhì)素等原料轉(zhuǎn)化為電能，并獲得了與現(xiàn)有氫燃料電池相當(dāng)數(shù)量級(jí)的功率密度水平。
“讓車(chē)‘吃草’就能跑起來(lái)，這是關(guān)于生物質(zhì)燃料電池的美好愿景，也是我們努力的另一大目標(biāo)?！壁w雪冰說(shuō)，“木質(zhì)素等生物質(zhì)是自然界中最豐富的可再生資源，分布廣泛、易于獲得，如果能將這些生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能源、化學(xué)品等寶貴資源，必將奏響人類(lèi)與自然和諧共生的動(dòng)聽(tīng)圓舞曲。”
編輯：李華山
