近日，我校能源材料化學(xué)研究院武利民教授和化學(xué)化工學(xué)院王蕾教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Sustainability上發(fā)表題為“Photoelectrochemical production of disinfectants from seawater”的重要研究成果。我?；瘜W(xué)化工學(xué)院高瑞廷研究員及博士生高澤華為論文的共同第一作者，武利民教授和王蕾教授為共同通訊作者，內(nèi)蒙古大學(xué)為本論文的第一完成單位。這也是我校首次在Nature大子刊上發(fā)表研究型論文。
活性氯（ClO?/HClO）作為全球應(yīng)用最廣泛的消毒劑體系，目前其生產(chǎn)主要依靠于傳統(tǒng)的氯堿工業(yè)需要電解強(qiáng)酸性(ph＜3)的飽和食鹽水。這一過(guò)程不僅需要高純水（僅占可用水資源的0.5%），而且反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜（析氯、歧化等反應(yīng)）并伴隨有毒和易爆的Cl?氣體產(chǎn)生。因此，開(kāi)發(fā)氯堿工藝的替代工藝，避免在合成活性氯過(guò)程中氯氣的產(chǎn)生，并高效地將Cl-轉(zhuǎn)化為ClO-是必要的。
天然海水憑借其豐富的Cl?儲(chǔ)備展現(xiàn)出作為理想電解質(zhì)的潛力，但其復(fù)雜離子環(huán)境對(duì)電化學(xué)合成工藝提出了三重嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：首先，多價(jià)態(tài)金屬陽(yáng)離子（如K?、Na?、Ca2?、Mg2?）在陽(yáng)極表面形成的鈍化層，導(dǎo)致催化穩(wěn)定性急劇衰減；其次，海水體系中相對(duì)較低的Cl?濃度（~0.5 M）引發(fā)氯氧化反應(yīng)（ClOR）與析氧反應(yīng)（OER）的激烈動(dòng)力學(xué)競(jìng)爭(zhēng)，造成目標(biāo)產(chǎn)物的法拉第效率低；尤為關(guān)鍵的是，在中性/堿性電解質(zhì)中ClOR的熱力學(xué)平衡電勢(shì)（>1.72 VRHE）相較于酸性體系大幅提升，迫使反應(yīng)體系需要承受更高過(guò)電位帶來(lái)的能量損耗。這些本征性技術(shù)壁壘嚴(yán)重制約了基于自然海水直接合成消毒劑的技術(shù)可行性，成為實(shí)現(xiàn)綠色氯化工產(chǎn)業(yè)升級(jí)必須突破的"卡脖子"難題。
研究團(tuán)隊(duì)提出了一種具有Cl-介導(dǎo)的新型光電極NbClO?/BiVO?，能夠直接從天然海水中光電化學(xué)合成消毒劑。該電極的起始電位為0.6 VRHE，次氯酸鹽法拉第效率接近100%，產(chǎn)率高達(dá)119.9 μmol cm?2 h?1，并具有超過(guò)500小時(shí)的穩(wěn)定性。陰極同步生成Mg(OH)?、CaCO?和氫氣，軟化海水。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)NbClOx催化劑對(duì)海水中Cl?的定向介導(dǎo)和OH?的動(dòng)態(tài)調(diào)控，在原子尺度上精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了OH*/Cl*活性物種的吸附-活化-轉(zhuǎn)化路徑協(xié)同，突破了傳統(tǒng)氯堿工藝依賴氯氣中間體的技術(shù)瓶頸。這一機(jī)制創(chuàng)新不僅從源頭上規(guī)避了有毒氯氣的生成風(fēng)險(xiǎn)，更在弱堿性海水環(huán)境中直接合成高價(jià)值消毒劑，將復(fù)雜多步反應(yīng)簡(jiǎn)化為一步綠色電合成，為氯堿工業(yè)提供了“資源-反應(yīng)-產(chǎn)品”全鏈條低碳化的顛覆性技術(shù)范式。
在生產(chǎn)相同總量消毒劑的情況下，相比于氯堿工藝使用的商業(yè)化DSA電極，該體系可以有效降低77.16%電能消耗和75.31% CO?排放，ClO-的成本約為$0.042±0.003kg-1。本工藝通過(guò)突破性機(jī)制創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了消毒劑綠色合成與海洋資源高效利用的協(xié)同發(fā)展，為氯堿工業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供了兼具環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的革新方案，標(biāo)志著氯堿行業(yè)向可持續(xù)發(fā)展邁出了里程碑式的重要跨越。
以上研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)“英才興蒙”一層次團(tuán)隊(duì)、內(nèi)蒙古自治區(qū)“草原英才”和內(nèi)蒙古大學(xué)“駿馬計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01530-y
（供稿：化學(xué)化工學(xué)院 編輯：武濤 審核：劉雪峰 終審：阿茹娜）
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