[读懂科学]效率达219%？一个光子生成2个过氧化氢的“多米诺反应”
KIST利用链式反应突破传统光化学效率极限
以4至8瓦低功率生产1%浓度过氧化氢……有望实现在水处理现场生产
一项利用光将过氧化氢（H₂O₂）生产效率提升至现有极限两倍以上的技术已被开发出来。不同于传统方式中一个作为光粒子的光子仅引发一次反应，该技术的核心在于利用由首次反应连续引发后续反应的“链式反应”。
韩国科学技术研究院表示，该院气候环境研究所Byeon Jihye、Jeong Jaesik博士研究团队采用这一方式，成功实现每个光子生产2个以上过氧化氢。光利用效率达到219.1%。
过氧化氢除用于消毒外，还广泛应用于净水与废水处理、半导体清洗等领域。目前，全球95%以上的过氧化氢由大型化工厂生产。高浓度过氧化氢须运输并储存至使用地点，成本与安全负担均较高。
因此，利用光在需求地点直接生产过氧化氢的技术一直受到研究。问题在于效率。传统光催化方式中，一个光子向催化剂传递能量并引发一次反应，因此每个光子生产一个过氧化氢，即100%实际上被视为效率上限。
一个光子推倒反应“多米诺骨牌”
研究团队通过“链式反应”突破了这一限制。当光子触发第一次反应后，反应生成的物质会引发下一次反应，并进一步连接至新的反应。一个光子并非被直接多次使用，但一旦启动的反应持续进行，最终可生成多个过氧化氢分子。
为寻找吸收光的物质、提供氢的物质以及促进反应的溶剂之间的最佳组合，研究团队针对184种组合共开展了5888次实验，并利用人工智能找到了最佳反应条件。
结果显示，光利用效率达到219.1%。这里的219.1%并不意味着投入100单位能量便获得219单位能量，而是指一个光子所触发的链式反应平均可生成2个以上过氧化氢分子。
研究并未止步于实验室中的高数值。研究团队在升规模反应器中，稳定生产出浓度为1%、达到工业现场使用水平的高纯度过氧化氢。将其应用于水处理后，作为环境激素物质的双酚A去除率超过99.95%。
以智能手机充电器级别的电力实现现场生产
另一项显著特点是所需电力。不同于传统太阳能催化研究使用300瓦级光源，这项技术仅需4至8瓦即可运行，相当于智能手机充电器的功率水平。
研究团队照片。从左起：Jo Hyegyeong，韩国科学技术研究院博士后研究员，现任职于国防科学研究所，第一作者；Byeon Jihye、Jeong Jaesik，韩国科学技术研究院首席研究员，通讯作者。韩国科学技术研究院供图
View original image若该技术实现规模化和商业化，净水厂、污水处理厂等场所便可能直接生产并使用所需的过氧化氢，实现“分布式生产”。这意味着可减轻大型工厂生产高浓度过氧化氢后进行运输和储存的负担。
韩国科学技术研究院博士Byeon Jihye表示：“我们让一次光照启动的反应得以连续进行，突破了传统光化学过氧化氢生产的效率极限。未来可将其发展为一项在净水厂、污水处理厂、智能农场、尖端产业现场，以及灾区应急水处理等需求地点直接生产过氧化氢的技术。”
此次研究成果已在线发表于国际学术期刊Joule最新一期。
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