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以真菌菌丝为基：双氧水合成电催化剂的制备与性能探究

一、引言

1.1研究背景与意义

双氧水（H_2O_2）作为一种重要的绿色氧化剂和化工原料，在化工合成、环境保护、医疗消毒、纸浆漂白等众多领域有着广泛应用。在化工合成中，它参与多种有机化合物的合成反应，能够实现温和条件下的氧化过程，提高产品质量和选择性；在环境保护领域，可用于污水处理，有效降解有机污染物，净化水体；医疗消毒方面，凭借其强氧化性，能快速杀灭各类病菌，保障医疗环境安全。目前，工业上生产双氧水的主要方法是蒽醌法。蒽醌法是将蒽醌与氢氧化氢反应，生成双氧水和二氧化碳。该方法虽能生产高纯度的双氧水，且工艺流程相对简单、原料易得、操作成本低。但此过程存在诸多弊端，一方面，蒽醌法能耗巨大，需要消耗大量的能源用于反应过程中的加热、蒸馏等环节，这不仅增加了生产成本，也不符合当前全球倡导的节能减排理念；另一方面，该方法在生产过程中会使用大量有机溶剂，且反应后产生的废水、废渣中含有未反应完全的蒽醌及其他有机杂质，若处理不当，会对环境造成严重污染。同时，氢氧化氢的过量加入不仅导致污染和废水排放，还容易产生爆炸和有毒气体，存在较大的安全隐患。

随着科技的发展和人们对可持续发展的重视，电催化合成双氧水技术应运而生。电催化合成双氧水通常以水和氧气为原料，在电催化作用下，通过两电子氧还原反应（2e^?-ORR）合成双氧水，反应方程式为：O_2+2H^++2e^?\longrightarrowH_2O_2。这一技术具有诸多显著优势，首先，它是一种环境友好的生产方式，反应过程中不产生温室气体排放，也无需使用大量的有机溶剂和复杂的后处理工艺，大大减少了对环境的污染；其次，电合成双氧水可以根据不同下游终端的浓度需求现场原位生产，避免了传统方法中双氧水的长途运输和储存风险，同时也降低了运输成本。例如，在一些需要使用低浓度双氧水进行消毒的场所，如医院、学校、家庭等，可以通过小型的电合成装置现场制备，使用更加安全和便捷；再者，电催化合成双氧水一般在常温常压下即可进行反应，不需要高温高压等苛刻的反应条件，降低了对设备的要求，也减少了能源消耗。

在电催化合成双氧水技术中，电催化剂起着核心作用，其性能直接影响着双氧水的合成效率和选择性。研发具有高活性、高选择性和稳定性的电催化剂是该技术的关键。传统的电催化剂主要包括贵金属及其合金，虽然它们在电催化领域具有较高的催化活性，但对于2e^?-ORR生成双氧水，其选择性较低，更容易发生四电子氧还原反应（4e^?-ORR）生成水，且贵金属资源稀缺、价格昂贵，这严重限制了其大规模应用。过渡金属化合物、碳基材料等非贵金属电催化剂虽然在一定程度上降低了成本，但仍存在催化活性不足、稳定性差等问题。因此，寻找一种新型、高效、低成本且环境友好的电催化剂成为该领域的研究热点。

基于此，本研究提出利用真菌菌丝制备电催化剂。真菌作为一类广泛存在于自然界的微生物，具有独特的优势。其形态结构多样，大多由单细胞或简单的多细胞构成，具有诸如球状、杆状、螺旋状或分枝丝状等形状，这种形貌多样性为电催化剂提供了丰富的潜在模板；真菌细胞内多样化的元素组成，如含有碳、氮、氧、磷等多种元素，为电催化剂提供了天然的元素掺杂来源；真菌的代谢活动可以富集多种金属元素，进一步调控催化剂的性能；而且真菌培养条件简单，只要在适宜的环境下就能以指数倍速率繁殖，成本低廉。利用真菌菌丝制备电催化剂，不仅可以充分发挥真菌的这些特性，还为电催化剂的制备开辟了一条全新的生物途径，有望解决传统电催化剂存在的成本高、活性低、稳定性差等问题，具有重要的科学研究价值和潜在的工业应用前景。

1.2国内外研究现状

在电催化合成双氧水领域，国内外学者围绕催化剂的研发开展了大量研究工作。早期研究主要集中在贵金属催化剂上，如铂（Pt）及其合金，它们具有较高的催化活性，但由于对2e^?-ORR生成双氧水的选择性低以及成本高昂，限制了其实际应用。为解决这一问题，科研人员逐渐将目光转向非贵金属催化剂，包括过渡金属化合物和碳基材料等。

在过渡金属化合物方面，氧化锰（MnO?）因其晶体结构中的特定原子位点可以对氧气分子进行特异性吸附和活化，有利于2e^?-ORR路径，展现出较好的生成双氧水的选择性，受到了一定关注。研究人员通过对其晶体结构和电子性质的深入研究，尝试优化其催化性能。有研究通过控制氧化锰的形貌和粒径，增加了其活性位点数量，从而提高了电催化合成双氧水的效率。但过渡金属化合物在稳定性和导电性方面仍存在不足，限制了其进一步应用。

碳基材料如石墨烯、碳纳米管等，由于具有大的比表面积、良好的电子传导性以及可调控的表面官能团，成为研究热点。通过在碳材料表面引入杂原子（如氮、硫等）进行掺杂改性，可以创造出