《Separation and Purification Technology》：Fabrication of a paper-based natural air self-diffusion cathode with scalable production potential for efficient hydrogen peroxide preparation
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开发了一种低成本纸基自然空气扩散电极（PNADE），用于高效电解水制取过氧化氢。通过优化5% PVDF粘合剂比例和6:4精制浆与纤维化浆质量比，在60 mA/cm2电流密度下实现572.82 mg/L/h的过氧化氢产率，电子转移数达2.36，连续运行24小时仍保持73%电流效率。采用传统造纸工艺，兼具环境友好性与可规模化生产特性。
杨 王 | 刘 光伟 | 陈 浩 | 向 秋月 | 尹 梅伦 | 沈 芒霞 | 王 平 | 龙 自强
陕西科技大学生物资源化学与材料工程学院，陕西省造纸技术与特种纸开发重点实验室，中国国家轻工业造纸基功能材料重点实验室，国家实验轻化学工程教育示范中心，西安 710021，中国
摘要
本研究开发了一种低成本的基于纸张的天然空气扩散电极（PNADE），用于电化学生产过氧化氢（H?O?），作为能耗较高的蒽醌工艺的绿色替代方案。该电极以纤维素纸纤维为基底，碳黑（CB）为催化剂，通过高效的氧气自扩散实现了无需加压供氧系统的设计。系统优化表明，5%的PVDF粘合剂比例可最大化催化活性（过氧化氢选择性为81.8%，电子转移数为2.36）。同时，6:4的丝光浆与原浆（MP: PRT）质量比可平衡电极的完整性和气体渗透性。在常空气中，电流密度为60 mA cm?2时，该电极的过氧化氢产率为572.82 mg L?1 h?1，电流效率超过75%，且可持续运行3小时。在24小时连续流动反应器中（流速为1 mL min?1），该电极产出了1540 mL的过氧化氢溶液，浓度为435.96 mg L?1，电流效率约为73%。整个电极制备过程采用了传统的造纸技术，显示出批量生产和大规模制造的巨大潜力。这种可扩展且环保的设计为基于纸张的电极在过氧化氢合成中的应用提供了有前景的策略。
引言
过氧化氢（H?O?）是一种多功能绿色氧化剂，广泛应用于清洁领域，包括纸浆和纺织品漂白、消毒、废水处理以及作为环氧反应中的氧化剂[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其巨大的市场需求推动了高效生产方法的持续研究。目前的过氧化氢合成方法包括蒽醌工艺、光催化、电化学以及直接从氢气和氧气合成。其中，电化学两电子氧还原反应（2e? ORR）提供了一种直接、节能且环保的生产过氧化氢的途径，能够调节产物的浓度，适用于现场生成[9]、[10]、[11]。然而，2e? ORR途径的广泛应用受到催化剂稳定性与效率有限、电极基底成本高及制备工艺复杂等挑战的阻碍。
纤维素是地球上最丰富、最可再生的轻质聚合物，由β-1,4连接的葡萄糖单元线性链组成。其结构中含有大量羟基（-OH），这些羟基参与分子内和分子间的氢键作用，形成了坚固的网络[12]。因此，纤维素具有高稳定性、轴向硬度和机械强度，并能自组装成柔韧而致密的三维（3D）纳米结构。此外，纤维素还具有优异的生物相容性和生物降解性，使其在纸张、包装、纺织品、医疗用品和制药等产品中得到广泛应用[13]。通常通过高温碳化及添加导电填料来制备具有高比表面积和多孔结构的纤维素基导电材料。这类材料已广泛应用于传感器、隔膜、电化学电极、超级电容器、摩擦纳米发电机（TENGs）等相关领域[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。
同样，基于纤维素的导电材料也是用于2e? ORR生产过氧化氢的优秀电极基底。例如，Xu等人通过浸渍-热解方法将镍纳米颗粒固定在细菌纤维素衍生的碳纤维上，实现了162.7 ± 13.7 mmol g?1 h?1的过氧化氢产率[19]。另一项研究中，Li等人通过静电纺丝制备了碳化羧甲基纤维素和还原氧化石墨烯的混合物作为多孔纤维电极，过氧化氢产率为11.94 mg h?1 cm?2[20]。然而，大多数基于纤维素的电催化电极仍主要依赖高温碳化来提高导电性，这一过程需要耗能的加热和惰性气体环境，限制了其大规模应用的可行性。因此，开发一种便捷且可扩展的导电电极制备方法对于推进纤维素基功能材料在电催化领域的应用具有重要意义。
鉴于此，本研究提出了一种新型的基于纸张的天然空气扩散电极（PNADE）制备策略，旨在通过2e? ORR途径高效电催化生产过氧化氢。具体而言，使用经过漂白和丝光处理的浆料作为基底，并通过添加碳黑（CB）来提高导电性。通过优化两种浆料的混合比例，实现了电极基底机械性能、三维多孔结构和导电性的协同提升。随后通过刮刀法施加催化剂，并通过气相沉积一层疏水且亲空气的保护层，完成电极的制备。整个制备过程完全兼容传统造纸技术，既简单易操作又具备工业适用性，为连续化和规模化生产提供了有力支持。总之，本研究证明了通过传统造纸路线制备基于纸张的电极用于过氧化氢生产的技术可行性，凸显了基于纸张的材料在电化学应用中的潜力。
材料与试剂
硫酸（H?SO?，分析级）购自国家医药化工试剂有限公司。草酸钾二水合物（K?TiO(C?O?)?·H?O）和聚四氟乙烯（PTFE，粒径1 μm）由Macklin生化有限公司提供。氢氧化钠（NaOH，分析级）、氢氧化钾（KOH，分析级）和硫脲（H?NCSNH?，分析级）由天津大茂化工试剂厂提供。
电极基底的性能
图1中的SEM图像展示了经过导电改性的不同MP与PRT质量比的纤维复合电极基底的形态演变特征。如图1a所示，纯PRT电极具有密集的结构和丰富的微纤维，未观察到大孔。随着MP含量的增加（图1b–e），电极表面出现了逐渐增大的孔隙和松散的纤维间结合。
结论
本研究采用碳黑（CB）作为催化剂设计了PNADE，并构建了单电池流动系统用于过氧化氢的生产。引入了由MP和PRT组成的复合纸基底，作为传统高成本基底的替代方案。通过系统实验确定了最佳参数：MP与PRT的质量比为6:4，催化剂墨水的CB与PVDF质量比为5:5（溶剂占比5 wt%），最佳催化剂墨水负载量为0.04 g cm?2。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22408223）、中国教育部春晖计划基金（项目编号：HZKY20220519、202200146）以及陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2023-YBSF-335）的支持。
