新任JACS副主编！清华大学张强，1个月2篇Angew！

利用可再生电力进行两电子氧还原反应（2e^– ORR）的分散式电化学生产过氧化氢（H₂O₂），成为农业增氧、水处理和精细化学品合成等应用的可持续途径。然而，传统的H₂O₂电解槽通常依赖于支持电解液来确保高效的离子传导和高产率生产，导致所得H₂O₂产品含有大量的离子杂质，需要耗费大量能源和成本来提纯。其中，通过质子交换膜（PEMs）电解槽电合成纯H₂O₂为分散式按需生产提供了一条有前景的途径，但是传统方法在气-液-固三相界面平衡氧气（O₂）供应和H₂O₂去除方面面临重大挑战。

基于此，清华大学张强教授和唐城副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种三相界面工程策略，以克服这些传质瓶颈。通过将质子传输的PEM结构与三维（3D）疏水网格气体扩散电极（GDE）相结合，构建了具有增强传质通道的有利三相界面，利用气-液两相流实现了气体-液体两相流动。

该设计在使用去离子水作为阴极电解液时，在-10.0 mA cm^-2的电流密度下实现了84.6%的峰值法拉第效率（FE）。模拟结果表明，气泡尾流诱导的环形涡流增强了O₂的传输，而剪切驱动的对流加速了定向过氧化氢的传输。与T型接头微流控单元集成后，该系统在50 h内实现了有机污染物的实时降解，同时保持FE超过60%。该系统具有高度的灵活性、可扩展性（25 cm²电极）和可调的H₂O₂浓度（153.6-2443.7 mg/L），为可持续、按需的化学电合成提供了一个强大的平台。

图1.纯H₂O₂溶液电合成的三相界面工程策略

值得注意的是，在2025年11月2日，清华大学张强教授团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“A Universal Principle of Lithium Bond Characteristics in Lithium Battery Electrolytes”的文章！

张强，清华大学长聘教授、博士生导师。新任《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）副主编。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、教育部青年科学奖、中国青年科技奖、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship等。致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂-硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂-硫电池中的锂键化学、离子溶剂复合结构概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。所指导的研究生中，程新兵、彭翃杰、唐城、张学强、陈翔等获得清华大学学术新秀；李博权、张学强、元喆、王瀚森、钟玲、赵长欣等获得清华大学特等奖学金；陈筱薷、赵长欣等获得全国挑战杯特等奖。

在本文中，作者提出了一种零间隙的PEM-GDE组装结构，该结构集成了快速的质子传导、动态的O₂输送以及持续的H₂O₂提取功能。在基于三维（3D）碳毡的GDE中（TPI-MEA结构）中，反应物流体通过其多孔框架流动，形成广泛的、连续的气液固体界面。在T型接头进口处开始的不间断Taylor流模式在整个电解槽中持续存在，并在出口处保持不变。优化后CoNOC/CFH的表面积效率达到77.0%，在30 min电解后仍保持75.6%的值。在TPI-MEA结构中，CoNOC/CFH在15 h的电解和闲置循环后仍保持超疏水性（>135°）。

图2.采用3D疏水网格GDE的PEM电解槽

作者比较了三种不同的O₂供应模式：1）交替的气液流动（交替输送O₂/H₂O）；2）加湿的O₂（气相占主导地位）；3）O₂饱和的水（液相占主导地位，O_sat H₂O）。两相流产生周期性的振荡，而加湿的O₂实现高达-31.5 mA cm^-2的超高电流密度，而O₂饱和的水则降至-4.8 mA cm^-2，且O_sat H₂O的电流值降至-4.8 mA cm^-2。

液相模式显示出主要的轴向H₂O₂分子浓度梯度，表明产物沿着流动方向逐渐积累，但存在严重的O₂不足（O₂ < 0.5 mol m^-3），限制了物质的传递。两相流产生的H₂O₂速率达到2.01 mg cm^-2 h^-1的最高值，显著优于加湿O₂（0.02 mg cm^-2 h^-1）和O_sat H₂O（0.94 mg cm^-2 h^-1）。基于反复测量的流量优化表明，逐渐增加两相流中O₂/H₂O的流量，在40.0/16.0 mL min^-1的条件下可达到峰值FE为74.9%。

图3.通过调节O₂供应模式实现传质增强

作者对比了传统的“沿流”微电极阵列（MEA）与“流贯式”三相微电极阵列（TPI-MEA），使用0.10 M HClO₄溶液以确保有足够的质子用于直接性能比较。在单程电解模式下（O₂流量：40.0 mL/min，液体流量：1.0 mL/min），MEA结构仅能实现79.5 mg L^-1的H₂O₂浓度和3.6% FE，而TPI-MEA结构能够实现2062.2 mg L^-1的H₂O₂浓度和91.3% FE。值得注意的是，在优化的、真正无电解液的条件下（O₂流量：40.0 mL/min，去离子水流量：36.0 mL/min），在-10.0 mA cm^-2下，FE达到84.6%，证实了该系统的核心效能无需电解液。

图4.不同GDE架构的H₂O₂管理

将优化的两相流电解槽与T型管微流体混合器相结合，验证了其在环境修复方面的潜力。将电产生的H₂O₂溶液直接注入染料溶液中，实现了有机污染物的现场降解。在以-10.0 mA cm^-2的电流密度、0.10 M HClO₄作为阳极电解液和DI H₂O/O₂作为阴极电解液进行循环电解的情况下，该系统在50 h内保持FE大于60%。用去离子水代替酸性阳极电解液可获得67.9% FE，使用自来H₂O/O₂原料则为63.3% FE，表明该系统在各种环境介质中具有良好的性能。

放大实验（电极面积：25 cm²）通过两相流比例控制实现高浓度（1.1 mL/min时为2443.7 mg/L）和高通量（153.6 mg/L时为31.1 mL/min）模式之间的灵活调节。此外，根据不同的应用需求可以定制H₂O₂的生产：在20 h内制备1 L约3000 mg/L的纯H₂O₂溶液，或者在30 min内快速生产1 L约150 mg/L的低浓度产品。通过可调的气-液比实现浓度和产量的独立控制，克服了单相PEM系统中的权衡问题，并在各种运行条件下提供了真正灵活、按需的H₂O₂电合成能力。

图5.纯H₂O₂溶液的灵活合成和应用

Electrolyte-Free Electrosynthesis of Pure H₂O₂ via Triple-Phase Interface Engineering. Angew. Chem. Int. Ed., 2025,