近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員在堿土金屬過(guò)氧化物(MO₂)的合成領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。他們提出了一種全新的合成路線，旨在解決傳統(tǒng)合成方法中存在的原料運(yùn)輸危險(xiǎn)、生產(chǎn)成本高以及產(chǎn)物純度低等問(wèn)題。

堿土金屬過(guò)氧化物，如CaO₂、SrO₂和BaO₂，作為過(guò)氧化氫(H₂O₂)的衍生物，具有強(qiáng)氧化性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。這些特性使它們?cè)谄?、廢水處理、消毒和精細(xì)化學(xué)品合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的工業(yè)合成方法主要依賴于高濃度H₂O₂與堿土金屬氫氧化物的反應(yīng)，這種方法不僅存在安全隱患，而且成本高昂，產(chǎn)物純度也難以保證。

為了克服這些挑戰(zhàn)，中科院寧波材料所的研究團(tuán)隊(duì)提出了電化學(xué)原位合成MO₂的新方法。這種方法利用電化學(xué)二電子氧還原反應(yīng)(2e- ORR)在電極表面實(shí)時(shí)產(chǎn)生高濃度的H₂O₂，并與電解液中的堿土金屬離子M²⁺（Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺等）反應(yīng)，從而原位合成MO₂固體。

然而，原位合成的MO₂固體容易粘附在電極表面，導(dǎo)致電極失效。為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在電極的基底表面構(gòu)建了微納米結(jié)構(gòu)，并調(diào)節(jié)了表面能。這種設(shè)計(jì)使得催化電極(T-NiOC)獲得了自清潔能力，即電極表面原位生成的固體產(chǎn)物能夠自動(dòng)脫離電極表面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，T-NiOC電極不僅具有超高的累積法拉第效率和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，還能夠合成多種高純度的MO₂。其中，CaO₂的純度達(dá)到了98.3%，BaO₂的純度為98%，SrO₂的純度為93%。這一成果不僅提高了MO₂的合成效率，還降低了生產(chǎn)成本，為MO₂的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。

此外，上海交通大學(xué)教授賈金平團(tuán)隊(duì)作為合作團(tuán)隊(duì)，驗(yàn)證了該路線原位合成的CaO₂產(chǎn)品在廢水處理中的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水力空化的作用下，CaO₂產(chǎn)品對(duì)水體污染物四環(huán)素的降解率高達(dá)93.6%，降解效果優(yōu)于H₂O₂。

該研究成果以“Self-cleaning Electrode for Stable Synthesis of Alkaline-earth Metal Peroxides”為題，發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)上。這一創(chuàng)新性的合成路線不僅解決了電化學(xué)法合成固體化學(xué)品中的固體產(chǎn)物粘附及分離問(wèn)題，還為相應(yīng)的電極發(fā)展帶來(lái)了新的啟示。

該研究工作的成功得益于國(guó)家自然科學(xué)基金以及浙江省、寧波市的支持。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索和完善這一合成路線，推動(dòng)MO₂在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。