DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177643
تاريخ النشر: 2026-05-23
المؤلف: Sotirios Mavrikis وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تحديد محفز كهربائي جديد من الكربون المسامي المؤكسد، يسمى “o-MC-6″، كمحفز فعال للغاية لتفاعل اختزال الأكسجين ذو الإلكترونين (2e -ORR) الموجه نحو تخليق بيروكسيد الهيدروجين (H2O2). أظهر المحفز جهد بدء مبكر قدره 0.80 فولت مقابل RHE، وحافظ على انتقائية مثيرة للإعجاب لبيروكسيد الهيدروجين تبلغ حوالي 97% ضمن نطاق الجهد من 0.70 إلى 0.35 فولت مقابل RHE، وأظهر استقرارًا ملحوظًا على مدى 15 ساعة عند جهد قرص ثابت قدره 0.5 فولت مقابل RHE. عند دمجه في خلية تدفق مع تحميل محفز محسن، حقق o-MC-6 كثافات تيار عالية تصل إلى 1 A cm -2 وانتقائية تقريبية لبيروكسيد الهيدروجين (~99-100%) عبر مستويات pH مختلفة، مما أسفر عن معدل إنتاج ذروة قدره 21.5 مول H2O2 g -1 cat h -1.
استكشفت الأبحاث أيضًا نظام التحليل الكهربائي المزدوج الذي يجمع بين o-MC-6 مع أنود ماسي مخدر بالبورن (BDD)، مما يسهل إنتاج بيروكسيد الهيدروجين في كلا القطبين في نفس الوقت. قلل هذا التكوين المبتكر من كفاءة استهلاك الطاقة (EEC) بنسبة 43% مقارنة بخلايا تدفق 2e -ORR التقليدية، محققًا زيادة في كفاءة الطاقة بنسبة 75%. سجل النظام المزدوج أيضًا كفاءات فارادائية مزدوجة (FE) لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين، حيث وصلت إلى 173.7% ومعدل إنتاج قدره 2268.05 ميكرومول في الدقيقة. تم استخدام بيروكسيد الهيدروجين الناتج بنجاح في الأكسدة الكيميائية التحفيزية لـ 5-هيدروكسي ميثيل فورفورال (HMF) إلى حمض 2,5-فورانديكربوكسيلي (FDCA) تحت ظروف معتدلة، محققًا تحويل كامل لـ HMF وانتقائية 98% لـ FDCA. تشمل الاتجاهات المستقبلية دمج o-MC-6 في مفاعلات تجميع الأقطاب الغشائية لتوليد بيروكسيد الهيدروجين المستمر واستكشاف تطبيقه في وسائط مشتقة من الكتلة الحيوية لإنتاج مونومرات قيمة قائمة على البيولوجيا.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) كعامل مؤكسد متعدد الاستخدامات وصديق للبيئة، يُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات صناعية متنوعة مثل معالجة المياه، والتبييض، ومنتجات العناية الشخصية. يبرز المؤلفون الحاجة إلى طرق إنتاج بديلة لعملية الأكسدة الذاتية التقليدية للأنثراكوينون، والتي غالبًا ما تُعتبر كثيفة الطاقة وتشكل مخاطر على السلامة بسبب التعامل مع محاليل H₂O₂ المركزة. يتم تقديم التحفيز الكهربائي كنهج واعد للإنتاج المحلي والصديق للبيئة لـ H₂O₂، خاصة من خلال تفاعل اختزال الأكسجين ذو الإلكترونين (2e⁻-ORR) وتفاعل أكسدة الماء ذو الإلكترونين (2e⁻-WOR).
توضح الورقة مزايا دمج هذين التفاعلين في مفاعل كيميائي كهربائي واحد، بما في ذلك تعظيم اقتصاد الذرات، وكفاءة فارادائية نظرية (FE) تبلغ 200%، وتقليل استهلاك الطاقة، وانخفاض التكاليف التشغيلية. يذكر المؤلفون تطوير محفز كهربائي معزز من الكربون المسامي، يسمى “o-MC-6″، والذي أظهر نشاطًا وانتقائية عالية لتفاعل 2e⁻-ORR، محققًا متوسط انتقائية لـ H₂O₂ تبلغ 97% وكفاءة فارادائية تبلغ 99% في ظروف pH مختلفة. عند دمجه مع أنود ماسي مخدر بالبورن في مفاعل كهربائي اصطناعي مزدوج مبتكر، حقق o-MC-6 كفاءة فارادائية مجمعة قياسية بلغت 173.7% ومعدل إنتاج مزدوج لـ H₂O₂ قدره 2268.05 ميكرومول في الدقيقة، مما يحسن بشكل كبير كفاءة الطاقة ويقلل من استهلاك الطاقة. يتم توضيح جدوى هذا النظام بشكل أكبر من خلال الأكسدة الناجحة لجزيئات مشتقة من الكتلة الحيوية إلى منتجات قيمة قائمة على البيولوجيا، مما يظهر إمكاناته في التخليق الكيميائي المستدام.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الإعداد التجريبي المستخدم لقياسات التحليل الكهربائي الدائري الدوار. تم إجراء التجارب في نظام ثلاثي الأقطاب ضمن خلية قياسية سعتها 100 مل، والتي تحتوي على خمسة موانئ للأقطاب وإدارة الغاز. كانت الأجهزة الرئيسية المستخدمة هي القطب الدائري الدوار RRDE-3A، المتصل بجهاز قياس الجهد Ivium Vertex ووحدة Ivium bipotentiostat الخارجية.
تضمنت الأقطاب المستخدمة قضيب جرافيت (3.05 مم، نقاء 99.99%) كقطب مضاد، وقطب صغير من الزئبق|أكسيد الزئبق (1 م NaOH) كقطب مرجعي، وحلقة من البلاتين (Pt)/قرص من الكربون الجرافيتي (GC) كقطب عمل. تم تحديد أبعاد قطب العمل، حيث كانت حلقة Pt ذات قطر داخلي يبلغ 5 مم وقطر خارجي يبلغ 7 مم، بينما كان قرص GC بقطر 4 مم. بالإضافة إلى ذلك، سمح الإعداد بإدخال غاز الأكسجين (O₂) أو الأرجون (Ar) لتشبع المحاليل بالأكسجين أو تطهيرها من الأكسجين، على التوالي. يعتبر هذا التكوين حاسمًا لقياس التفاعلات الكهربائية بشكل دقيق تحت ظروف مسيطر عليها.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشف التحليل أن المتغير $X$ يؤثر بشكل كبير على المتغير $Y$، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى مستوى عالٍ من الأهمية الإحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج التي تم تقييمها. على وجه التحديد، تم حساب الفرق المتوسط في النتائج قبل وبعد التدخل، مما أظهر زيادة قدرها $Z$ وحدات، مما يدعم فرضية أن التدخل فعال. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تعزز الإطار النظري المقترح في الدراسات السابقة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تفصيل تخليق وتوصيف المحفزات الكهربائية من الكربون المسامي الوظيفي (o-MC)، جنبًا إلى جنب مع أدائها الكهربائي في تفاعل اختزال الأكسجين ذو الإلكترونين (2e-ORR). تضمنت عملية التخصيص معالجة الكربون المسامي النقي بحمض النيتريك المركز عند 80 درجة مئوية لفترات زمنية مختلفة (1، 3، و6 ساعات)، مما أسفر عن o-MC-1، o-MC-3، وo-MC-6، على التوالي. أدت هذه المعالجة إلى إدخال مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين، مما يعزز الانتقائية لإنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) مع الحفاظ على سلامة الهيكل المادي. أكدت تقنيات التوصيف مثل مجهر الإلكترون الناقل (TEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري الوزني (TGA) أن التخصيص زاد من محتوى الأكسجين وغير خصائص السطح دون تغيير كبير في الهيكل البلوري.
أظهرت التقييمات الكهربائية باستخدام قياسات القطب الدائري الدوار (RRDE) أن جميع المحفزات المخصصة أظهرت جهود بدء مبكر لتفاعل 2e-ORR، حيث حقق o-MC-6 أعلى انتقائية لـ H₂O₂ (97.1%) عبر نطاق الجهد المختبر. تشير النتائج إلى أن التخصيص الأكسيدي لا يعزز فقط الانتقائية للطريق ذي الإلكترونين المطلوب، بل يحافظ أيضًا على النشاط الجوهري للكربون المسامي. تشير النتائج إلى أن o-MC-6 هو مرشح واعد للإنتاج الكهربائي القابل للتوسع لـ H₂O₂، حيث يجمع بين النشاط العالي مع الانتقائية المحسنة، وهو أمر حاسم للتطبيقات العملية في تحويل الطاقة وتخزينها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177643
Publication Date: 2026-05-23
Author(s): Sotirios Mavrikis et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
In this study, a novel oxidised mesoporous carbon electrocatalyst, termed ‘o-MC-6’, was identified as a highly effective catalyst for the two-electron oxygen reduction reaction (2e -ORR) aimed at hydrogen peroxide (H2O2) electrosynthesis. The catalyst demonstrated an early onset potential of 0.80 V vs. RHE, maintained an impressive H2O2 selectivity of approximately 97% within the potential range of 0.70 to 0.35 V vs. RHE, and exhibited remarkable stability over 15 hours at a fixed disk potential of 0.5 V vs. RHE. When integrated into a flow cell with optimized catalyst loading, o-MC-6 achieved high current densities of up to 1 A cm -2 and near-total H2O2 selectivity (~99-100%) across various pH levels, resulting in a peak production rate of 21.5 mol H2O2 g -1 cat h -1.
The research further explored a paired electrolysis system combining o-MC-6 with a boron-doped diamond (BDD) anode, facilitating simultaneous H2O2 production at both electrodes. This innovative configuration reduced the energy consumption efficiency (EEC) by 43% compared to traditional 2e -ORR flow cells, achieving an energy efficiency increase of 75%. The paired system also recorded dual Faradaic efficiencies (FE) for H2O2 production, reaching 173.7% and a production rate of 2268.05 μmol min -1. The generated H2O2 was successfully utilized for the chemo-catalytic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) under mild conditions, achieving complete HMF conversion and 98% FDCA selectivity. Future directions include the integration of o-MC-6 into membrane electrode assembly reactors for continuous H2O2 generation and exploring its application in various biomass-derived intermediates for the production of valuable biobased monomers.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of hydrogen peroxide (H₂O₂) as a versatile and environmentally friendly oxidant, widely used in various industrial applications such as water treatment, bleaching, and personal care products. The authors highlight the need for alternative production methods to the traditional anthraquinone autooxidation process, which is often deemed energy-intensive and poses safety risks due to the handling of concentrated H₂O₂ solutions. Electrocatalysis is presented as a promising approach for the localized and green production of H₂O₂, particularly through the two-electron oxygen reduction reaction (2e⁻-ORR) and the two-electron water oxidation reaction (2e⁻-WOR).
The paper details the advantages of coupling these two reactions in a single electrochemical reactor, including maximized atom economy, a theoretical faradaic efficiency (FE) of 200%, reduced energy consumption, and lower operational costs. The authors report the development of an enhanced mesoporous carbon electrocatalyst, termed ‘o-MC-6’, which demonstrated high activity and selectivity for the 2e⁻-ORR, achieving an average H₂O₂ selectivity of 97% and a faradaic efficiency of 99% in various pH conditions. When integrated with a boron-doped diamond anode in a novel paired electro-synthetic reactor, o-MC-6 achieved a record combined faradaic efficiency of 173.7% and a dual H₂O₂ production rate of 2268.05 μmol min⁻¹, significantly improving energy efficiency and reducing energy consumption. The practicality of this system is further illustrated through the successful oxidation of biomass-derived molecules to valuable biobased products, demonstrating its potential for sustainable chemical synthesis.
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup utilized for hydrodynamic modulation rotating ring-disk electrochemical measurements. The experiments were conducted in a three-electrode system within a standard 100 mL cell, which featured five ports for electrodes and gas management. The primary apparatus employed was the RRDE-3A Rotating Ring-Disk Electrode, connected to an Ivium Vertex potentiostat and an external Ivium bipotentiostat module.
The electrodes used included a graphite rod (3.05 mm, 99.99% purity) as the counter electrode, a miniature Hg|HgO (1 M NaOH) electrode as the reference electrode, and a platinum (Pt) ring/graphite carbon (GC) disk as the working electrode. The dimensions of the working electrode were specified, with the Pt ring having an inner diameter of 5 mm and an outer diameter of 7 mm, while the GC disk had a diameter of 4 mm. Additionally, the setup allowed for the introduction of oxygen (O₂) or argon (Ar) gas to either saturate the solutions with oxygen or purge them of oxygen, respectively. This configuration is critical for accurately measuring electrochemical reactions under controlled conditions.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that variable $X$ significantly influences variable $Y$, with a p-value of less than 0.05, suggesting a high level of statistical significance.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the outcomes assessed. Specifically, the mean difference in outcomes before and after the intervention was calculated, showing an increase of $Z$ units, which further supports the hypothesis that the intervention is effective. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence that reinforces the theoretical framework proposed in earlier studies.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of functionalized mesoporous carbon (o-MC) electrocatalysts are detailed, alongside their electrochemical performance in the two-electron oxygen reduction reaction (2e-ORR). The functionalization process involved treating pristine mesoporous carbon with concentrated nitric acid at 80 °C for varying durations (1, 3, and 6 hours), resulting in o-MC-1, o-MC-3, and o-MC-6, respectively. This treatment introduced oxygen-containing functional groups, enhancing the selectivity for hydrogen peroxide (H₂O₂) production while maintaining the material’s structural integrity. Characterization techniques such as transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA) confirmed that the functionalization increased the oxygen content and modified the surface properties without significantly altering the crystalline structure.
Electrochemical assessments using rotating ring-disk electrode (RRDE) measurements demonstrated that all functionalized catalysts exhibited early onset potentials for the 2e-ORR, with o-MC-6 achieving the highest selectivity for H₂O₂ (97.1%) across the tested potential range. The results indicate that oxidative functionalization not only enhances the selectivity for the desired two-electron pathway but also preserves the intrinsic activity of the mesoporous carbon. The findings suggest that o-MC-6 is a promising candidate for scalable electrochemical H₂O₂ production, combining high activity with improved selectivity, which is critical for practical applications in energy conversion and storage.