颠覆性突破：新型催化剂实现常温常压无能耗水解离合成过氧化氢

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近日，江苏大学化学化工学院量子与可持续性技术研究院李顺教授、佛山（华南）新材料研究院、北京航空航天大学赵立东教授等研究团队共同合作，在水解离制备过氧化氢领域取得突破性研究成果。研究团队创新性地开发含Sn空位的SnSe纳米片催化剂，实现了在常温常压下将水和氧气直接转化为过氧化氢（H₂O₂）。这一技术无需光照、电能、牺牲剂或贵金属助剂，在40°C下最高产率达2.6 mmol·g⁻¹·h⁻¹，并在连续流动反应器中室温稳定运行超50小时，性能媲美光催化体系。这项发现有望为替代传统高能耗、高污染的H₂O₂生产工艺提供颠覆性的“全绿色”解决方案，同时也为其他涉及水解离的化学过程研究开辟了新思路。相关成果以“SnSe nanosheets with Sn vacancies catalyze H₂O₂ production from water and oxygen at ambient conditions”为题，于2025年5月23日发表于《自然·催化》（Nature Catalysis）杂志。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01335-4

背景介绍

H₂O₂是化工、环保、生物医疗领域的关键化学品，也被视为潜在的绿色能源载体，全球年需求量超过500万吨且逐年增长。目前，工业上主要采用“蒽醌法”生产，然而该工艺依赖高温高压条件，能耗高且伴随大量有毒副产物的生成。基于H₂和O₂​的热催化法虽然更为绿色，但因依赖贵金属催化剂（如钯）以及操作复杂、安全风险较高等因素，限制了其大规模推广。

直接利用H₂O和O₂​合成H₂O₂被视为最为理想的绿色合成路径，但水分子解离的高能垒使得现有技术（如光催化、电催化、机械催化等）必须依赖额外的能量输入及复杂的催化剂体系，限制了其实际应用。因此，如何在常温常压条件下实现水的高效活化并合成H₂O₂是催化领域的重大挑战。

本文亮点

1.无需额外能量输入实现室温水解离
通过调控SnSe纳米片中的Sn空位，显著降低水分解能垒（从1.22 eV降至0.19 eV），使得水分子在常温下即可高效解离为活性氢和羟基，进一步通过Sn空位的动态迁移和表面重构实现了WOR和ORR双通道反应持续合成过氧化氢。

2.普适性动态缺陷诱导热催化新机制
该热催化新机制不仅限于SnSe体系，且被证实在SnS、SnTe、PbTe等IV-VI族半导体材料中具有普适性，为新型催化体系的设计提供了重要参考。

3.流动相放大实验展示工业应用潜力

连续流动放大实验中，该催化剂可在室温下稳定生成0.3 mmol/L H₂O₂溶液，并维持50小时以上稳定运行。而且，该催化剂在海水或盐水中表现更优，展现出良好的实际应用前景。

图文解析

图1. 含Sn空位的SnSe纳米片常温催化合成H₂O₂性能

要点：

1.温度依赖催化性能测试：在0-60℃范围内，SnSe纳米片均可催化水和氧气制备H₂O₂，产率随温度升高而增加，60℃后因H₂O₂热分解产率下降（图1a）。

2.调控Sn空位优化性能：引入更多的Sn空位可以进一步提升其催化活性，其中Sn_0.9Se纳米片的性能最优（40℃时反应速率达到2.6 mmol·g⁻¹·h⁻¹），产率是普通SnSe的2.2倍；块体SnSe材料性能微弱，Sn空位较少的Sn_1.1Se性能弱于SnSe纳米片（图1b-c）。

3.稳定性及连续流动反应：催化剂可循环使用10次以上无明显性能衰减（图1d），且催化过程中pH值没有明显变化（图1e）；室温下使用不锈钢柱流动反应柱测试表明，H₂O₂溶液浓度稳定在0.3 mmol/L，50小时后活性保留85%以上（图1f），显示出较好的工业应用前景。

图2. 原位球差电镜表征Sn空位在常温下的动态迁移

要点：

1.原位HAADF-STEM观测：通过在60℃下原位球差电镜分析原子柱积分强度变化，证实Sn_0.9Se纳米片中Sn空位发生迁移（图2）。

2.理论计算Sn空位迁移能：Sn空位在室温下的迁移能垒仅0.6 eV，且吸附OH*后仍保持低能垒（0.68 eV）。

图3. 原位谱学表征分析催化反应过程及机制

要点：

1.原位同步辐射XANES谱图：Se的K边吸收谱显示，SnSe吸附水分子后Se的4p轨道电子密度增加，可能形成了Se-H键（图3a-b）。

2.原位DRIFTS光谱：检测到*OOH（1190 cm⁻¹）、*OH（3740 cm⁻¹）和•O₂⁻（1228 cm⁻¹）的特征峰，证实水分解和氧还原同步进行（图3c）。

3.原位拉曼光谱：反应过程中出现Se∙∙∙H-O（252.9 cm⁻¹）和Sn-OH（495.8 cm⁻¹）振动峰，直接证明水分子在催化剂表面解离（图3e-f），证实了SnSe发生了表面重构。

图4. 理论计算解析含Sn空位的SnSe室温催化合成H₂O₂机理

要点：

1.AIMD模拟：Sn空位界面吸附水分子能力大幅提升，且形成稳定吸附层（图4a-b）。

2.水解离计算：Sn空位使水分子解离能垒从1.22 eV降至0.19 eV（图4c）。

3.反应路径计算：从H₂O到H₂O₂的势垒仅为0.76 eV，表明该反应可在室温下进行。

4.自由能计算：H₂O₂生成的关键步骤（*OH脱附）在Sn空位的迁移和动态重构辅助下能垒降低至0.60 eV（图4d-e），使得*OH脱附，实现高效可持续活化水和氧气生成H₂O₂（图4f）。

意义与展望

该研究为过氧化氢的合成提供了“全绿色”的颠覆性解决方案，同时为其他涉及水解离的化学过程研究开辟了新思路，有望在绿色化工、清洁能源、环境修复和生物医学等领域产生深远影响。

通讯作者介绍

李顺，江苏大学金山特聘教授。2007年获天津大学学士学位，2015年获得加拿大国家科学研究所（INRS）博士学位。曾任南方科技大学副研究员。主要研究方向为低品位热能/机械能-化学能转换及催化应用。在 Nature Catalysis, NSR, Prog. Mater. Sci., Nano Lett.等国际知名期刊发表论文100余篇，被引用6000余次，H因子45。主持国自然面上项目、深圳市科创委重点项目、广东省粤澳科技创新联合项目等，授权国家发明专利20余项。获新加坡材料学会科研新星奖，入选2024年斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。

赵立东，北京航空航天大学材料科学与工程学院院长、教授、博导。研究兴趣为开发宽温域高效温差发电和热电制冷材料。已在Nature和Science等期刊上发表350余篇研究成果, 被引用4万余次，单篇最高 >5000次, H因子95。担任国家重点研发计划、国自然探索类专项等项目负责人，<Materials Lab>期刊创刊主编。获国家青年人才计划、北京市师德先锋、国际热电学会青年科学家、北京市杰青、教育部特聘教授、国家杰青、科睿唯安全球高被引学者（2019-2022）、科学探索奖、何梁何利奖。