化工行业占我国工业碳排放的近20%，其低碳转型亟需颠覆性技术。在“双碳”目标下，以可再生能源驱动化工生产的“绿电化工”已成为重要发展方向。其中，过氧化氢电合成技术利用可再生电力，将水和空气直接转化为过氧化氢，具有反应条件温和、绿电适应性强、产品纯度高、应用场景丰富等优势，有望替代传统能源和废料密集型的蒽醌工艺，成为绿电化工的示范路径。但该技术的发展长期以来受限于催化材料、电极界面和系统集成等多重挑战。
图1. 绿电合成过氧化氢的分布式应用场景
针对上述挑战，化工系张强、唐城团队展开了系统性攻关，构建了从原子级催化剂到反应器的全链条技术方案，实现了高效稳定、适配绿电的过氧化氢电合成，为分布式绿电化工奠定基础。在催化材料层面，团队创制了具有独特氧配位结构的钴单原子催化剂，在宽电位区间内对过氧化氢选择性超过95%，并通过纳米颗粒辅助实现活性位点的动态补充，实现了在–50 mA cm–2电流密度下耐受55次启停循环并稳定运行超过500小时。在电极界面层面，团队设计出三维疏水网格气体扩散电极，通过精准调控气液两相流，突破了零极距膜反应器中反应物传输与产物移除的传质瓶颈，实现了以纯水和空气为原料、无电解质添加的高纯过氧化氢电合成。基于上述突破，团队开发出高效灵活的绿电合成系统，可以实现过氧化氢浓度（153.6–2443.7 mg L–1）与产率（31.1–1.1 mL min–1）的灵活调控，并在模拟光伏波动工况下保持稳定运行，展现出与可再生能源高度适配的能力，为分布式制造、纸张漂白、智慧农业、废水处理等场景提供了可行的技术路径。
图2.（a）氧配位的钴单原子催化剂（b）电合成纯过氧化氢溶液的三相界面工程策略（c）500小时稳定性测试（d）用于智慧农业的绿电合成系统展示
相关研究成果以“适应波动性可再生能源的高稳定性过氧化氢电合成”（Highly stable electrosynthesis of hydrogen peroxide adapted to fluctuating renewable energy）和“通过三相界面工程实现无电解质纯过氧化氢电合成”（Electrolyte-free electrosynthesis of pure H2O2 via triple-phase interface engineering）为题，发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）期刊。
清华大学化工系博士后李欣欣为论文的第一作者，清华大学化工系教授张强、副研究员唐城为论文通讯作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、清华大学水木学者、华能集团科技攻关项目的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202510448
https://doi.org/10.1002/anie.202519825
