中山大学环境科学与工程学院科技成果展示：电催化水氧化产双氧水技术

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中山大学环境科学与工程学院近期展示了两项创新的电催化水氧化产双氧水技术，分别应用于高盐缺氧难降解废水治理和制作杀菌消毒雾化器。这两项技术均基于电催化两电子水氧化反应（2e− WOR）原理，具有广泛的适用性和显著的环境效益。

技术一：电催化水氧化产双氧水技术用于高盐缺氧难降解废水的治理

技术成果介绍

（1）适用范围
该技术适用于有氧、缺氧和酸、碱性环境条件下的H2O2产生和污染物去除，包括农药废水、电镀废水、炼焦煤气废水等。

（2）技术内容

1. 技术原理
   电催化两电子水氧化反应(2e− WOR)是一种可以在温和条件下直接从水中生产双氧水（H2O2）的方法。根据电子转移数量，水氧化可分为单电子(1e-)、双电子(2e-)和四电子(4e-)三个WOR过程。从理论上来说，1 e-途径可产生羟基自由基(OH·)，为水消毒和污染物降解提供一条非常有吸引力的途径。但1e- WOR的最高平衡电位(E0 = 2.38 V vs. RHE)和OH·的短寿命极大地限制了该反应的发展。而2e- WOR途径能产生H2O2（2H2O → H2O2 + 2H+ + 2e-），H2O2可进一步通过原位或异位的方式活化变为OH·自由基，可有效解决上述问题。而且，2e- WOR产H2O2在很宽的pH范围内具有很高的氧化电位，具有环保友好的属性，是一种具有吸引力和实用性的原位去除污染物的方法。

2. 技术创新性
   以便宜常见的水作为反应物，结合电催化过程制备H2O2。基于上述对阳极反应的构想，本项目提出利用一种全新的氧化水的方式来制备H2O2——通过把水分子中的氧元素氧化成双氧水。水分子中的氧元素（O2-）含量（890 g L-1 at 25 ℃，1 atm）是空气中（0.31 g L-1 at 25 ℃，1 atm）的2867倍，约为水中溶解氧的11万倍，因此能利用水来充分保证氧元素供给，从而产生出较高浓度的H2O2，而由H2O2于具有较高的氧化性，可用于水体环境中污染物的原位降解去除。

3. 技术优势
   H2O2产量大。相对于电催化氧还原产H2O2方法，2e- WOR产H2O2以自然界中大量存在的H2O作为原料，水分子中的氧元素（O2-）含量（890 g L-1 at 25 ℃，1 atm）是空气中（0.31 g L-1 at 25 ℃，1 atm）的2867倍，约为水中溶解氧的11万倍，同时它的扩散效率远高于氧气分子，因此，这种水氧化技术能利用水来充分保证氧元素供给，突破氧气含量的局限性。
   电催化2e- WOR法适用于有氧、缺氧和酸、碱等多种环境条件下的H2O2产生和污染物原位去除。这是因为该方法仅仅需要以H2O作为反应物，对反应条件没有特殊需求。特别适用于高盐、缺氧、难处理的废水治理。由于克服了使用工业双氧水运输存放易爆炸的问题，该方法更加绿色安全。

4. 控制的主要污染物
   染料如罗丹明B，亚甲基蓝，抗生如诺氟沙星，杂环化合物，多环芳烃，二氯甲烷等。

5. 污染治理效果
   罗丹明B；电解液为实际印染废水，施加电压为2.4 V vs. Ag/AgCl，反应时间为2.5小时；进口浓度为25 ppm，出口浓度几乎为0，去除效率约为100%。

6. 技术推广情况
   该技术目前已应用于中国石化等公司的乙烯废碱液治理中，处理效率明显。由于该技术是用水原位产生双氧水，可以使用传统工业双氧水所遇到的双氧水不安全，运输与存放易爆炸等缺点。欢迎需要原位制备与应用双氧水的企业联系我们！

技术二：电催化产双氧水-雾化联合技术制作杀菌消毒雾化器

技术成果介绍

（1）适用范围
该技术适用于有氧、缺氧和酸、碱性环境条件下的H2O2产生和杀菌，如卫生巾、下水道等场所等。

（2）技术内容

1. 技术原理
   电催化两电子水氧化反应(2e− WOR)是一种可以在温和条件下直接从水中生产双氧水（H2O2）的方法。根据电子转移数量，水氧化可分为单电子(1e-)、双电子(2e-)和四电子(4e-)三个WOR过程。从理论上来说，1 e-途径可产生羟基自由基(OH·)，为杀菌、水消毒和污染物降解提供一条非常有吸引力的途径。但1e- WOR的最高平衡电位(E0 = 2.38 V vs. RHE)和OH·的短寿命极大地限制了该反应的发展。而2e- WOR途径能产生H2O2（2H2O → H2O2 + 2H+ + 2e-），H2O2可进一步在有需要时通过原位或异位的方式活化变为OH·自由基，可有效解决上述问题。而且2e- WOR产H2O2在很宽的pH范围内具有很高的氧化电位，具有环保友好的属性是一种具有吸引力和实用性的方法。液体雾化是一种能够将液体雾化喷出，而均匀悬浮于空气中的一种方法。其工作原理是利用振子的高速振动产生超声波，超声波对液体产生声波压力，将液体破碎成小雾滴，形成直径15-60微米左右的雾化液滴，并通过喷嘴出口喷出。

2. 技术创新性
   以便宜常见的水作为反应物，结合电催化过程制备H2O2。基于上述对阳极反应的构想，本项目提出利用一种全新的氧化水的方式来制备H2O2——通过把水分子中的氧元素氧化成双氧水。水分子中的氧元素（O2-）含量（890 g L-1 at 25 ℃，1 atm）是空气中（0.31 g L-1 at 25 ℃，1 atm）的2867倍，约为水中溶解氧的11万倍，因此能利用水来充分保证氧元素供给，从而产生出较高浓度的H2O2。
   将上述方法制备的高浓度H2O2进行雾化分散。创新性地将液体雾化技术和电催化产H2O2体系结合起来，通过超声波对液体产生的声波压力，将电催化方法产生的高浓度H2O2破碎为小雾滴，形成直径15-60微米左右的H2O2雾化液滴，并通过喷嘴出口喷出，用于环境中污染物和致病菌的去除。

3. 技术优势
   H2O2产量大。相对于电催化氧还原产H2O2方法，2e- WOR产H2O2以自然界中大量存在的H2O作为原料，水分子中的氧元素（O2-）含量（890 g L-1 at 25 ℃，1 atm）是空气中（0.31 g L-1 at 25 ℃，1 atm）的2867倍，约为水中溶解氧的11万倍，同时它的扩散效率远高于氧气分子，因此，这种水氧化技术能利用水来充分保证氧元素供给，突破氧气含量的局限性。
   电催化2e- WOR法适用于有氧、缺氧和酸、碱等多种环境条件下的H2O2产生和细菌去除。这是因为该方法仅仅需要以H2O作为反应物。
   利用液体雾化技术将H2O2液体雾化分散成15-60微米左右的液滴，液滴体积很小且相当分散，与细菌的接触反应会更加充分，因此对细菌的去除效果更佳。

4. 控制的主要污染物
   军团菌、溶血性链球菌、绿色链球菌、肺炎双球菌、结核杆菌霉菌、放线菌、病毒、孢子、尘螨、流感病毒等。

5. 污染治理效果
   施加电压为2.3 V vs. Ag/AgCl，反应时间为45 min；进口浓度为107 cfu/mL，出口浓度几乎为0，去除效率约为100%。

6. 技术推广情况
   该技术目前已应用于一些医疗机构，该技术可以利用水原位产生双氧水，在家用消毒方面有非常大的潜力，欢迎家电企业（拖地机，洗碗机、洗衣机）与需要消毒的机构联系我们！

科研团队介绍

胡卓锋 huzhf8@mail.sysu.edu.cn
胡卓锋，男，博士，中山大学环境学院百人计划副教授，博士生导师。发表论文73篇，第一/通讯作者论文57篇，单独一作15篇，单独通讯15篇，主要包括3篇，授权专利9项。

研究方向：元素红磷环境催化剂；水热碳环境催化剂；分子氧活化与高级氧化水处理；二电子水氧化；CO2还原；泛函密度材料模拟计算(VASP)。