一縷光、一套微反應(yīng)器、一場對傳統(tǒng)化工生產(chǎn)方式的革新，正在實驗室里悄然上演。如何高效、安全、綠色地合成過氧化氫(H?O?)，一直是化學(xué)工業(yè)的重要課題。傳統(tǒng)的合成方法能耗高、污染大，而新興的懸浮液光催化路線，又面臨催化劑難以分離回收、氧氣傳質(zhì)效率低的瓶頸。近日，一項發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Functional Materials》上的連續(xù)流光催化研究，帶來了令人振奮的突破。

01 瓶頸待破

過氧化氫作為一種重要的綠色氧化劑，在化工、環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。通過光催化氧還原反應(yīng)合成H?O?，理論上是最清潔的路徑之一。但理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。傳統(tǒng)的懸浮液光催化體系存在幾個難以克服的固有問題：固/液兩相界面的氧氣溶解度低、擴(kuò)散慢，限制了反應(yīng)速率;反應(yīng)后需要繁瑣的分離步驟來回收催化劑和提取產(chǎn)品，增加了成本和能耗。氮化碳(CN)材料雖前景廣闊，但其本征的電荷分離效率不足、活性位點有限，也制約了性能的進(jìn)一步提升。

02 雙管齊下

江西師范大學(xué)彭桂明教授團(tuán)隊采用了“硬件革新”與“軟件升級”協(xié)同并進(jìn)的策略，從根本上改變了反應(yīng)模式。硬件革新在于構(gòu)建一個全新的三相連續(xù)流光催化系統(tǒng)。團(tuán)隊開發(fā)出一種基于疏水氮化碳/碳纖維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，巧妙構(gòu)建了穩(wěn)定的氣(氧氣)-固(催化劑)-液(反應(yīng)液)三相界面。這種設(shè)計直接讓氣相氧氣與催化劑活性位點充分接觸，氧氣傳質(zhì)速率不再是限制步驟。同時，產(chǎn)物過氧化氫一旦生成，便隨流動的液體迅速離開反應(yīng)區(qū)，實現(xiàn)了催化劑與產(chǎn)物的在線即時分離，反應(yīng)可長時間連續(xù)穩(wěn)定運行。軟件升級則聚焦于催化劑本身。通過對氮化碳材料進(jìn)行表面化學(xué)修飾，調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)，增強了材料內(nèi)部的光生電荷分離與傳輸能力，并優(yōu)化了對氧氣的吸附和轉(zhuǎn)化路徑。

03 效率躍升

協(xié)同策略的效果是驚人的。研究表明，這種三相連續(xù)流光催化合成H?O?的效率，達(dá)到了傳統(tǒng)固/液兩相反應(yīng)體系的3倍以上。這項突破的意義不僅在于數(shù)字的提升。它打通了從高效催化到連續(xù)生產(chǎn)的全鏈條，為從實驗室基礎(chǔ)研究到未來可能的工業(yè)化應(yīng)用，提供了一個極具潛力的“概念驗證”樣板。該工作為設(shè)計其他類型的高效多相催化反應(yīng)體系提供了全新的思路。

04 未來延伸

這項研究并非孤立。同一團(tuán)隊在連續(xù)流光催化合成過氧化氫領(lǐng)域持續(xù)深耕，近期還在《中國化學(xué)快報》和《應(yīng)用表面科學(xué)》等期刊上發(fā)表了相關(guān)成果，不斷深化對催化劑設(shè)計和反應(yīng)過程的認(rèn)識。這也從側(cè)面印證了連續(xù)流技術(shù)作為一種平臺性工具的強大生命力。它通過精準(zhǔn)的流體控制、高效的傳質(zhì)傳熱和本質(zhì)安全的反應(yīng)環(huán)境，正在成為推動綠色化學(xué)合成、新材料創(chuàng)制和醫(yī)藥中間體制備等領(lǐng)域創(chuàng)新的核心驅(qū)動力。

05 展望

連續(xù)流化學(xué)已走過單純替代釜式反應(yīng)的階段，進(jìn)入與先進(jìn)材料設(shè)計、過程強化、自動化與人工智能深度耦合的新時期。未來的連續(xù)流系統(tǒng)，將不再是冰冷的管道和泵，而是集成實時在線監(jiān)測、智能反饋優(yōu)化、數(shù)字孿生模擬于一體的智慧化化學(xué)合成平臺。當(dāng)化學(xué)家能夠像編輯程序一樣，通過數(shù)據(jù)和模型精準(zhǔn)地“編寫”分子與材料，那將是化學(xué)制造的又一次革命。而連續(xù)流技術(shù)，正是承載這場革命的關(guān)鍵基石。

參考文獻(xiàn)：

Xiao-Ying Peng, Su-Qin Wu, Gui-Ming Peng*. Synergy of Triphase Interface engineering and Electronic Modulation of Carbon Nitride Networks for Continuous-Flow Photosynthesis of H?O?. Adv. Funct. Mater. 2025.

DOI: 10.1002/adfm.202522655