过氧化氢（H₂O₂）是一种广泛应用于储能、消毒和各种化学工业的关键化学品。传统的H₂O₂产方法，如蒽醌工艺，是能源密集型的，并且涉及复杂的分离过程，因此电化学方法是一个有吸引力的替代方法。电催化氧还原反应（ORR）合成H₂O₂的反应已经成为一种非常有前途的低温直接生产H₂O₂的策略，具有可扩展性，简单性和效率的优势。

课题组采用水热水解改性策略，通过精准调控热处理温度和时间参数，在炭黑（Carbon Black, CB）表面构建了梯度分布的含氧官能团修饰层。通过EDS、XPS、Raman及接触角测试等表征手段发现，水热处理过程成功引入了羧基（-COOH）、羰基（C=O）和环氧基（C-O-C）等多种活性氧官能团，有效调控了催化剂表面电子结构，增强了氧物种的吸附活化能力。实验结果表明，经85℃水热反应6小时改性的CB-85-6h催化剂展现出最优的H₂O₂合成性能，达到3302.23 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹的产率，且选择性高达90.1%，显示出显著的2电子氧还原反应（2e^- ORR）路径选择性。理论分析与实验结果表明，表面氧官能团通过优化*OOH中间体的吸附自由能，有效降低了2e^-反应路径的能垒。密度泛函理论（DFT）计算验证，位于石墨烯边缘的羧基官能团在调控电子转移过程中起关键作用，其独特的空间构型和电子特性显著提升了催化活性。该催化剂在连续10次循环测试中保持90%以上的初始活性，展现出优异的电化学稳定性。该研究通过表面官能团工程策略调节气泡—水/催化剂界面微环境，为开发高效稳定的H₂O₂绿色全合成提供了新的设计思路，同时为绿色化工合成技术发展开辟了创新路径。

该工作由凌云副教授指导完成，2022级硕士生张湲媛为第一作者，郑轩副教授在理论计算上做了大量工作，为共同第一作者。同时，汪庆祥教授和广州大学牛利教授给予重要的工作指导和论文修订，为共同通讯作者。研究得到了福建省自然科学基金（2019J01746）、南开大学先进能源材料化学教育部重点实验室开放课题、福建省新型电化学储能材料重点实验室开放课题（2021CN01）和漳州市自然科学基金（ZZ2024J16）的资助。

《Green Chemistry》是一本专注于绿色化学和可持续技术领域的国际顶级期刊，由英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry，RSC）出版，位列中国科学院期刊分区化学1区Top。

论文链接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/gc/d4gc06493c

（图/文：张湲媛）