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在制造业和化学工业中，苯醌都是一种重要的化工产品。 苯酚由于其有限的生物降解性和操作敏感性，对环境安全构成了重大威胁。其中，工业制造过程中有害副产物的释放是一个重大问题。这一问题已在全球煤化工行业得到广泛认可，成为半焦产业可持续发展的障碍。传统的苯酚处理方法主要有物理萃取法和化学降解法。然而，这些方法存在处理效率低和潜在的严重二次污染等缺点，极大地限制了它们的广泛应用。电化学氧化苯酚是一种高效且经济的制备苯醌的方法，有效地解决了诸如成本增加、能耗过高和处理效果不佳等主要问题。 近日，中国科学院福建物质结构研究所温珍海教授与牛津大学张昊研究员（现麻省理工学院）、榆林学院张智芳教授合作，在电化学氧化和混合酸/碱流动池器件研究的基础上，针对当前苯酚处理难，苯醌合成难度大等科学问题，提出了一种电催化苯酚氧化制苯醌耦合制氢的混合酸/碱电解策略。研究人员在泡沫镍上构筑Ni9S8-Ni15O16混合异质纳米结构（图1）。这种纳米结构在碱性溶液中对电化学苯酚氧化（EOP）表现出显著增强的催化活性，只需要1.35 V vs. RHE就可以达到10 mA cm-2的电流密度，并且苯醌生产的法拉第效率高达92%（图2）。组装的混合酸/碱电解池可以在0.9 V的固定电位下连续运行300小时以上。同时，通过混合酸/碱流动池的设计和设备集成，首次实现了电化学氧化有机污染物苯酚联产高附加值苯醌和氢气（图3）。
图1. Ni9S8-Ni15O16混合异质纳米结构的合成方法。 图2. Ni9S8-Ni15O16在阳极苯酚氧化过程中的电催化性能。（a）不同催化剂在1 M KOH和5 mM苯酚中的苯酚阳极氧化活性（未IR补偿）；扫描速率：2 mV s-1；（b）不同催化剂时苯酚阳极氧化过电位（20 mA cm-2和50 mA cm-2）；（c）由（a）中的LSV曲线导出的电催化剂在阳极苯酚氧化的塔菲尔图；（d）不同催化剂在阳极的奈奎斯特图（未IR补偿）；（e）不同催化剂的Cdl；（f）不同电位下Ni9S8-Ni15O16电化学氧化苯酚的稳定性实验；（g）不同电位下苯醌生产的法拉第效率图；（h）Ni9S8-Ni15O16在1.474 V vs. RHE条件下阳极氧化的稳定性实验；（i）不同外加电位下Ni9S8-Ni15O16的原位拉曼光谱图；（j）原位拉曼测试池结构示意图；（k）不同电位下Ni9S8-Ni15O16将苯酚（蓝色）为苯醌（红色）的1H 核磁共振光谱图；（l）苯酚（绿色）氧化为苯醌（橙色）的1H 核磁共振光谱图。DMSO为内标（浅紫色）。 图3. Ni9S8-Ni15O16/NF || RuIr/Ti的电化学性能。（a）混合酸/碱电解池极板结构图和（b）传统碱性电解池极板结构图;（c）混合酸/碱电解池结构图和（d）传统碱性电解槽；（e）不同pH条件下HER-EOP和HER-OER的LSV曲线；（f）混合酸/碱电解池和传统碱性电解池在不同电流密度下的EOP-HER外加电压的比较；（g）在50小时的循环实验中，混合酸/碱电解池生产苯醌和氢气的法拉第效率和产率；（h）Ni9S8-Ni15O16/NF在0.9 V电压下的长期稳定性测试。 论文信息 Energy-Efficient Co-production of Benzoquinone and H2 Using Waste Phenol in a Hybrid Alkali/Acid Flow Cell Chengchao He, Duo Pan, Kai Chen, Dr. Junxiang Chen, Qinlong Zhang, Dr. Hao Zhang, Prof. Zhifang Zhang, Prof. Zhenhai Wen Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202407079
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