《Science》：五年时间，解决H2O2合成催化剂“小”问题

过氧化氢（双氧水，H2O2）的分子式只比水分子多一个氧原子，是一个用途十分广泛的家用化学品，稀释的过氧化氢可用于伤口消毒、牙齿美白、服装去污渍等等。另外，在世界上很多不发达地区，过氧化氢经常被用来净化生活用水。过氧化氢的常规生产是一个多步骤的过程，比较耗能，而且需要大量地生产和运输过氧化氢，并使其以高度浓缩形式储存，这也带来的高昂的成本。

图片来源：The Cardiff Catalysis Institute

最近，一个来自英国和美国的研究团队在《Science》上报告了一种能实现“按需生产”的仅需一步的简单方法，直接由氢气和氧气在现场小批量高选择性地（>95%）生产稀释的过氧化氢（双氧水），从而解决了世界上很多地区水净化的大难题。（Palladium-tin catalysts for the direct synthesis of H2O2 with high selectivity. Science, DOI: 10.1126/science.aad5705）

在这篇文章中，这个英国卡迪夫大学教授Graham J. Hutchings领导的团队报告了一种双金属催化剂，由钯（Pd）和另外一种金属构成，可以有效地催化氢气和氧气反应，高选择性地生成过氧化氢。

图片来源：The Cardiff Catalysis Institute

这篇文章已经是这个团队在过去十年里就这一个课题在《Science》杂志上发表的第四篇论文了，前三篇与金（Au）和钯的合金催化剂有关。这种新的催化剂使用锡、钴、镍、镓、铟或锌这些比金便宜的元素中的一种，与钯组合起来达到催化要求。此外，该催化剂的载体不需要使用硝酸进行预处理，这与之前的金-钯合金催化剂不同。

该团队的研究人员说，他们的新方法还克服了催化生产过氧化氢过程中的一个长期挑战，即催化剂倾向于在生成过氧化氢后迅速地将其分解为水。该小组采用了多种电子显微技术来研究为什么钯合金会引起过氧化氢分解，以及如何防止分解过氧化氢的副反应发生。他们发现，答案与合金催化剂颗粒的尺寸和组成变化有关。

“当我们测量钯金颗粒的组成时，发现较大的颗粒含有大量的金，而较小的颗粒有很多钯，只有中等颗粒才具有理想的催化效果。”本文作者之一、利哈伊大学教授Christopher J. Kiely说，“虽然较大颗粒催化产生过氧化氢，但是富含钯的较小颗粒却会有效地将过氧化氢转化成水，我们必须找到一种方法阻止这些较小颗粒产生这些副反应。”

包裹较小的富钯颗粒（红色），而较大的钯-锡合金颗粒（黄色）则保持暴露的状态

该团队将钯-锡混合物沉积到二氧化钛载体上，并观察到一些锡在二氧化钛上铺开来形成非常薄的氧化锡层，而剩余的锡则形成了钯- 锡合金颗粒。研究人员开发出一种简单的三步热处理工艺，来促使这种锡氧化物包裹这些较小的富钯颗粒，而较大的钯-锡合金颗粒则保持暴露的状态，从而保证过氧化氢生成，且阻止过氧化氢分解。

该小组花了五年时间开发钯-锡催化剂并优化热处理方案，Kiely说。“这是一个长期艰苦的开发历程，”他说，“但由此产生的催化剂具有优异的性能。”

1. http://science.sciencemag.org/content/351/6276/965

2. http://phys.org/news/2016-02-quick-efficient-hydrogen-peroxide-poorest.html