随着工业化进程的加速，新兴有机污染物对水生生态系统和人类健康构成了严重威胁。传统的芬顿氧化技术虽然能够有效降解这些污染物，但其依赖于连续投加芬顿试剂（如H₂O₂和Fe²⁺）和大量辅助电解质（如Na₂SO₄），不仅增加了操作成本，还存在二次污染风险和安全隐患。此外，常规电芬顿系统在低电导率水体（如地表水、饮用水）中的应用受到限制，因其需要外加电解质以维持导电性。为了解决这一系列问题，研究者们试图通过双阴极系统实现H₂O₂的原位生成与活化，但传统构型中电极间距大、传质效率低，限制了羟基自由基（•OH）的整体生成效率。

近年来，电催化两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）产H₂O₂取得显著进展，但将生成的H₂O₂原位高效转化为•OH仍是主要瓶颈。核心原因是两步反应所需催化剂截然不同，反应条件（如pH、电位）也难以兼容。

近日，william威廉中文赵国华教授团队受细胞代谢启发，提出了一种“时空动态双电催化级联”策略，并设计了一种创新的共面双电催化区域结构电极，与膜电极组件集成紧凑的反应系统。该系统实现了O₂ → H₂O₂ → •OH的连续原位级联转化，无需辅助电解质，实现了有机污染物的高效降解。相关研究成果“Molecular oxygen cascade reduction to •OH via coplanar dual-electrocatalytic zone achieving electrolyte-free water purification”发表于《Nature Water》上。

研究内容：

图1 两种电化学反应器构型的对比：直观展示了新旧两种系统的核心区别。

图1展示了两种电化学反应器构型的对比。图a为传统的双阴极电芬顿系统，两个阴极均浸没在液相反应器中，电极间距较大，质子（H⁺）传质路径长，导致反应动力学受限，且高度依赖外加支持电解质以维持导电性。图b为本研究提出的共面双电催化区域耦合系统，该系统与膜电极组件集成，形成零间距反应环境，显著缩短了传质路径并降低了欧姆损耗。通过将两个电催化区共面设计在同一电极层上，实现了反应物（O₂）和中间产物（H₂O₂）的空间连续性转化，最终高效生成•OH。该构型不仅消除了对支持电解质的依赖，还通过优化传质效率显著提升了整体反应性能，为无电解质电化学水处理提供了新的设计思路。

图2 第一电催化区域催化剂的表征与电化学性能：证实了Bi_SA-cul/C催化剂的结构特征和其高效、广谱的产H₂O₂的能力。

图2详细表征了用于第一电催化区域的Bi_SA−cul/C催化剂的结构与电化学性能。图a展示了该催化剂的目标功能：通过2电子氧还原（2e⁻ ORR）将O₂转化为H₂O₂。图b-g证实了Bi_SA−cul/C催化剂中Bi元素的结构呈现原子级分散与团簇共存的特征。图h-l的旋转环盘电极测试表明，该催化剂在从酸性到碱性的宽pH范围内均表现出优异的H₂O₂选择性。图m的电化学测试结果表明，该催化剂在三电极体系中可有效生成H₂O₂，且其生成的量能够满足电芬顿反应所需的浓度要求。

图3 第二电催化区域催化剂的表征与电化学性能：揭示了Fe–S₁N₃催化剂的原子结构及其高效活化H₂O₂产•OH的能力。

图3展示了用于第二电催化区域的Fe–S₁N₃催化剂的结构表征及其对H₂O₂活化为•OH的能力。图a展示了该催化剂的目标功能：通过电芬顿过程将H₂O₂活化为•OH。图b-g证实了Fe–S₁N₃催化剂中Fe元素以原子级分散形式存在于氮掺杂碳骨架中，铁原子与一个硫原子和三个氮原子配位，形成了不对称配位结构。图h-j理论计算表明，这种不对称配位结构增强了Fe对H₂O₂的吸附能力，并促使O–O键完全断裂生成•OH。图k-m表明Fe–S₁N₃催化剂在电芬顿反应中具有显著的活性优势。

图4 共面双电催化区域耦合系统的电化学模拟：通过仿真模拟验证了系统内“生成-传输-消耗”的级联反应机制。

图4通过有限元模拟揭示了共面双电催化区域耦合系统内的反应与传质过程。结果显示，氧气在流经第一电催化区域时被迅速消耗，用于生成H₂O₂；H₂O₂的浓度分布呈现出从第一区末端向第二区域入口连续梯度的特征，表明其通过对流传输至第二电催化区域。在第二区域内，H₂O₂浓度逐渐下降，说明其被进一步活化生成•OH，且浓度沿流动方向逐渐升高，表明该区域是•OH的主要来源。该研究从理论上证实了该系统能够在无支持电解质条件下实现O₂ → H₂O₂ → •OH的级联转化，为后续实验提供了坚实的理论依据。

图5 共面双电催化区域耦合系统的性能与稳定性评估：实验验证了该系统在无电解质条件下的高效降解能力、优越稳定性和低能耗。

图5评估了实验室规模下共面双电催化区域耦合系统对双酚A（BPA）的降解性能及稳定性。EPR测试表明，系统运行10分钟内即可检测到明显的•OH特征峰，且信号强度随时间增强，证明其具备持续高效的•OH生成能力。在电极面积比为1:1、电压为-2.0 V的条件下，系统在90 min内实现了BPA的完全降解，且降解速率常数（0.114 min^-1）是传统双阴极系统（0.0582 min^-1）的近两倍。循环实验显示，经过10次连续运行，降解效率波动小于3%；100小时长期运行中电流保持稳定，表明系统具有良好的稳定性；能耗对比显示，本系统相比传统双阴极系统能耗降低了69.3%。相关结果充分证明了该系统在无电解质条件下的高效性与经济性。

图6 太阳能驱动的放大系统的效率评估与适用性探索：展示了该技术在放大、实际应用场景中的强大潜力。

图6展示了太阳能驱动的放大规模共面双电催化区域耦合系统在实际应用中的处理能力。该系统对工业化学品、抗生素、农药和染料四类典型难降解有机污染物的去除率均保持在较高水平，验证了其广谱适用性。在五种不同实际水体（如自来水、雨水、湖水等）中，BPA的去除率均超过96%，表明系统对复杂水体基质具有良好的耐受性。在8小时的连续运行中，系统对BPA的总有机碳去除率达到98%，实现了深度矿化。在处理实际化学制药废水时，系统对原水和预处理出水的TOC去除率分别达到42%和78%，且电极表面无明显结垢现象。与现有主流技术相比，该系统在无电解质、无芬顿试剂、无pH调节、多污染物适用性、抗结垢和多场景适用性等六个关键维度上均表现优异，展现出作为新一代绿色水处理技术的巨大潜力。

上述研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金明面上项目和上海光源重点课题研究项目的支持。赵国华教授为论文的通讯作者，博士生苗超为论文第一作者。

标题：Molecular oxygen cascade reduction to •OH via coplanar dual-electrocatalytic zone achieving electrolyte-free water purification

发表时间：2026-3-10

作者：Chao Miao,Zhiming Wang,Kuang Chen,Chufan Li,Ziwen An,Yanbo Li,Haiyu Wang,Lina Li &Guohua Zhao*

作者机构：School of Chemical Science and Engineering, Shanghai Key Lab of Chemical Assessment and Sustainability, Tongji University, Shanghai, People’s Republic of China

期刊：Nature Water

DOI：10.1038/s44221-026-00606-z

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-026-00606-z