过氧化氢既是重要的化工氧化剂，也是环境处理与消毒场景中的常用活性物种。传统蒽醌法依赖集中式装置和复杂的加氢—氧化循环，难以满足分布式、按需制取的需求；电催化两电子氧还原反应（2e⁻ ORR）因此成为颇具吸引力的替代路线。然而，该反应对催化剂的选择性和活性要求很高。碳纳米管（CNTs）具有导电性好、比表面积大和结构稳定等优势，但原始多壁碳纳米管（MWCNTs）活性位点不足，内部石墨壁也难以被反应物接触。氧化处理虽能增加含氧官能团，却可能破坏导电网络，形成活性与导电性难以兼得的核心矛盾。
针对上述问题，新加坡国立大学 Kostya S. Novoselov、湖南大学 Huihui Lin 等提出用闪蒸焦耳热（FJH）在秒级时间内重构 MWCNTs，试图在保留部分含氧位点的同时，通过壁层剥离和石墨重构创造新的结构缺陷，从而打破这一矛盾。
01 焦耳热冲击重塑碳纳米管壁层
研究团队在氩气保护下，以900、1200、1500 和 1800℃为目标温度处理 MWCNTs。根据图示工艺，每个升温周期为1 秒，循环 5 次。与长时间整体加热的传统退火不同，这种瞬时电热冲击更接近一次受控的局部“热锻”：热量集中在碳管附近，既诱发局部壁层剥离，又为后续石墨重构提供驱动力。
TEM 与 SEM 显示，处理后多数碳管仍保持原有管状形貌，说明重构具有局部性。MWCNTs-900 的石墨壁较连续；升至 1200℃ 后，管壁开始出现明显剥离、翘起和重构，但片层数量有限；MWCNTs-1800 则形成更多、更厚的类石墨纳米片。由此可见，温度并非简单地“越高越好”，而是在连续石墨壁与开放缺陷结构之间调节一个中间状态。
图1 焦耳热工艺及不同温度下 MWCNTs 的形貌演变；1200℃ 出现局部剥离，1800℃ 形成更显著的类石墨片层。
02 结构表征揭示氧保留与石墨化的平衡
Raman 光谱给出了温度依赖的结构演变。原始 MWCNTs 的 IDIG 为 1.132，MWCNTs-1200 降至 1.060，而 MWCNTs-1800 仅为 0.622。值得注意的是，1200℃ 样品的 D、G 峰较宽，意味着它并非高度均一的有序石墨，而是保留了更强的结构异质性；到 1800℃ 后峰形明显变尖，石墨化程度显著提高。
XRD 中约 26°和 43.4°的衍射峰分别对应石墨的（002）和（100）晶面。MWCNTs-1800 的（002）峰更强、更尖锐，并移至更高角度，说明层间距缩小、石墨有序度增强。XPS 则揭示了关键的表面化学变化：1200℃ 处理后，O 1s 含量仅由 18.77% 降至 18.10%；而 1800℃ 后骤降至11.99%。因此，1200℃ 在引入结构缺陷的同时最大程度保留了含氧物种，形成“氧官能团＋结构缺陷”的复合表面。
图2 Raman、XRD 与 XPS 共同显示，1200℃ 保留较多氧物种，1800℃ 则发生明显脱氧和石墨重构。
03 两电子氧还原性能在中间温度达到峰值
在 0.1 M KOH 中，各样品于氧饱和电解液出现明显还原峰，而在氩饱和条件下该峰消失，确认了 ORR 活性。旋转环盘电极测试中，FJH 处理后环电流整体升高，其中 MWCNTs-1200 在 0.3—0.6 V 区间表现最佳：0.48 V 时 H₂O₂ 选择性达到73%，平均电子转移数约为 2.5，相较原始 MWCNTs 提升约 25%。
动力学结果与结构演变相吻合。MWCNTs-1200 的 Tafel 斜率最低，为64.1 mV dec⁻¹；双电层电容达到1080 μF cm⁻²，说明剥离后的开放结构提高了电化学可及面积。反观 1800℃ 样品，过强的石墨化和脱氧反而削弱了选择性提升，进一步说明 1200℃ 是性能最优的中间窗口。
图3 电化学测试表明 MWCNTs-1200 兼具较高 H₂O₂ 选择性、电子转移数和更快反应动力学。
04 流动池验证高产率与阶段性稳定性
为克服常规液相电解池中的氧传质限制，团队将 MWCNTs-1200 制成气体扩散电极并用于流动池，催化剂负载量为 0.3 mg cm⁻²。在 1 M KOH、氧进料条件下，还原电流约从 0.75 V 开始上升，0 V 时达到390 mA cm⁻²；切换为氩气后电流可忽略，证明电流主要来自 ORR。电流密度从 50 提高至 200 mA cm⁻² 时，法拉第效率始终高于 85%。
在 200 mA cm⁻² 下，H₂O₂ 产率达到10.57 mol gcat⁻¹ h⁻¹，法拉第效率为 85%；100 mA cm⁻² 时产率为 5.86 mol gcat⁻¹ h⁻¹，效率达到 94%。H 型电解池在 0 V 下则获得 2.31 mol gcat⁻¹ h⁻¹ 和 99% 的法拉第效率，说明 H₂O₂ 是主导产物。RRDE 的选择性读数低于电解池结果，作者将其归因于粉末催化层与一体化电极之间不同的传质条件。
稳定性测试在 100 mA cm⁻² 下持续 23 小时，累计 H₂O₂ 产量在 10 小时和 23 小时分别达到 15.34 mmol 和 25.62 mmol，工作电位整体平稳。不过，法拉第效率在前 10 小时由 94.6% 降至 82.2%，20 小时和 23 小时进一步降至 66% 与 60%。作者推测，气体扩散电极逐渐润湿、发生水淹，可能改变气—液—固界面并限制氧气传输，这也是后续工程化需要解决的关键问题。
图4 流动池中的产率与 23 小时稳定性，以及用于解释氧修饰缺陷位点作用的 DFT 模型。
05 氧官能团与结构缺陷形成协同机制
DFT 计算比较了无缺陷边缘位、氧修饰边缘位和氧修饰缺陷位。氧修饰能够增强 O₂ 吸附并调节含氧中间体的稳定性，其中带氧修饰的缺陷位点表现最均衡：O₂ 吸附自由能为 −2.01 eV，O=C–OH 中间态稳定在 −2.33 eV，H₂O₂ 生成的自由能变化为 +3.07 eV。这说明单纯增加缺陷或含氧基团都不够，关键在于二者耦合后既能活化 O₂，又能避免中间体被过度稳定，从而把反应导向两电子路径。
06 总结与展望
这项工作最值得关注的创新，是以 FJH 的极短热历史把“造缺陷”和“保氧”拆分并重新组合：1200℃ 处理产生壁层剥离和局部重构，却不进行过度的整体氧化，因而同时获得开放位点、较高含氧量和可用的石墨导电网络。与持续高温退火相比，其时间尺度更短、空间作用更局域；与单纯强氧化策略相比，它减少了导电性的代价。最终，MWCNTs-1200 在流动池中实现 10.57 mol gcat⁻¹ h⁻¹ 的产率和 85% 的法拉第效率，展示了无金属碳材料分布式制备 H₂O₂ 的潜力。
面向应用，这一策略可服务于按需化工氧化、环境处理和消毒等场景，但长时运行中的效率衰减仍提示，气体扩散电极抗润湿、氧气传质以及放大后的热场均匀性都值得继续研究。FJH 的价值不仅在于“快”，更在于提供了一种通过非平衡热过程精准调节碳材料缺陷与表面化学的工艺窗口。
论文：Meijuan Chang, Yang Meng, Dunxian Luo, Yuanjian Liu, Panpan Zhang, Kostya S Novoselov, Huihui Lin; Flash Joule heating-engineered multi-walled carbon nanotubes for metal-free H2O2 electrosynthesis. Chem. Commun. 2026; https://doi.org/10.1039/D6CC04430A.
