Cu-HITP@Co-HHTP Janus 异质结构示意图。带正电的 Cu-HITP 核（黄色）吸引氯离子（Cl⁻，绿色）以驱动阳极的析氯反应 (CER)，而带负电的 Co-HHTP 壳（蓝色）则排斥。
美国佐治亚州，2026 年 9 月 24 日 /EINPresswire.com/ — 海水覆盖了地球水的 97%，但作为化学原料却基本上没有得到充分利用。现在，研究人员开发了一种催化剂，可以同时将海水转化为两种有价值的产品：过氧化氢 (H2O2)（一种多功能漂白和消毒剂）和活性氯（一种广泛使用的水处理化学品）。该催化剂由两个熔合在一起的导电金属有机框架组成，利用空气中的氧气和海水中天然存在的氯离子同时驱动两个反应。这种方法提供了一种更可持续、更节能的方式来生产这些工业化学品，而无需依赖淡水或复杂的分离过程。
过氧化氢是世界上最重要的化学品之一，但其目前的生产基于能源密集型的蒽醌工艺，会产生大量废物。通过双电子氧还原反应进行的电化学合成提供了一种更清洁的替代方案——尽管在海水中，氯离子会毒害催化剂表面，阻塞活性位点并降低效率。与此同时，析氯反应可以将相同的氯离子转化为有价值的活性氯，但大多数现有系统将氧还原与析氧结合起来，这是一种产生低价值氧气的反应。在单个海水电解槽中将双电子氧还原与氯析出相结合将是理想的，但这需要一种催化剂，能够在阳极吸引氯离子，同时在阴极排斥氯离子——这两个相反的要求使得这一目标难以实现。基于这些挑战，迫切需要深入研究能够解决这一冲突的催化剂结构。
由华东师范大学研究人员领导的研究小组与昆士兰大学、福州大学和上海大学合作，报道了一种Janus导电金属有机框架对导电金属有机框架异质结构，该异质结构能够同时生产过氧化氢（H2）活性电氯和海氯。该研究于 2026 年 9 月 1 日发表在《eScience》（第 6 卷第 5 期，文章 100581）上，展示了一种双功能电催化剂，可以为两种产品实现高生产率和法拉第效率。
该团队构建了一个核心卫星结构：带正电的 Cu-HITP 纳米棒形成核心，而带负电的 Co-HHTP 纳米颗粒在表面生长。这种设计产生各向异性表面电荷——Co-HHTP 壳排斥阴极处的氯离子以保护氧还原活性位点，而 Cu-HITP 核则吸引阳极处的氯离子以促进氯析出反应。在两种材料之间的界面处，形成 Cu-O-Co 化学键，产生具有合适电子结构的不同活性位点：钴位点优先吸收 O2 以进行双电子氧还原，而铜位点则有利于氯化物吸附以释放氯。两种框架的不同费米能级驱动电子从 Cu-HITP 转移到 Co-HHTP，从而产生内置电场，增强跨异质界面的电荷转移。在模拟海水中，该催化剂实现了 99.1% 的 H2O2 选择性，在 10 mA cm-2 电流下析氯过电势仅为 38 mV，超过了商业上稳定的阳极。在使用来自渤海的真实海水的集成电解槽中，该系统的 H2O2 产率为 9.34 mol g_cat⁻1 h⁻1，活性氯产率为 9.26 mol g_cat⁻1 h⁻1，法拉第值分别为 9.5% 和 9.3%。该催化剂在 100 多个小时内保持稳定的性能，并且降解最小。
“这实际上是让海水为我们做聪明的工作，”作者说。 “海水资源丰富，但用海水进行电解总是很棘手，因为氯离子既会毒害阴极，又会在阳极充当反应物。我们的 Janus 设计通过赋予催化剂的每一面不同的作用来解决这个悖论——一侧排斥氯离子，另一侧则吸引氯离子。许多基于淡水的方法可以与海水相媲美或超过海水作为当地化学制造的来源。我们认为这开辟了一种实用的改变方法。
原位产生的 H2O2 和活性氯（主要是 HClO）已经过实际应用测试。这两种解决方案均可在五分钟内去除有机有色污染物（包括甲基橙、甲基红和亚甲基蓝），展现出废水处理的强大氧化潜力。在针对大肠杆菌的抗菌测试中，电解产物产生了清晰的抑菌圈，随着电解时间从5分钟增加到60分钟，抑菌圈半径从20.0毫米延伸到44.9毫米，证实了浓度依赖性消毒效率。仅使用氧气和电力，直接从海水中生产漂白剂和消毒剂的能力可以实现沿海和岛屿社区的分散式化学品生产，减少运输危险化学品的需要，并为现场水处理和消毒提供可持续的解决方案。
指示
DOI
10.1016/j.esci.2026.100581
原始来源网址
资金信息
国家自然科学基金（批准号：22572056、22475072、22273023、92477103）；上海市自然科学基金（批准号：25ZR1402122、23ZR1418200）；上海市科学技术委员会（批准号：25511102400）；重庆市自然科学基金（批准号：CSTB2023NSCQ-MSX0616）；中央高校基本科研业务费专项资金。
王露西
生物设计研究
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