近日，我校能源材料化学研究院武利民教授和化学化工学院王蕾教授联合团队在国际顶级期刊Nature Sustainability上发表题为“Photoelectrochemical production of disinfectants from seawater”的重要研究成果。我校化学化工学院高瑞廷研究员及博士生高泽华为论文的共同第一作者，武利民教授和王蕾教授为共同通讯作者，内蒙古大学为本论文的第一完成单位。这也是我校首次在Nature大子刊上发表研究型论文。

活性氯（ClO⁻/HClO）作为全球应用最广泛的消毒剂体系，目前其生产主要依靠于传统的氯碱工业需要电解强酸性(ph＜3)的饱和食盐水。这一过程不仅需要高纯水（仅占可用水资源的0.5%），而且反应过程复杂（析氯、歧化等反应）并伴随有毒和易爆的Cl₂气体产生。因此，开发氯碱工艺的替代工艺，避免在合成活性氯过程中氯气的产生，并高效地将Cl-转化为ClO-是必要的。

天然海水凭借其丰富的Cl⁻储备展现出作为理想电解质的潜力，但其复杂离子环境对电化学合成工艺提出了三重严峻挑战：首先，多价态金属阳离子（如K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）在阳极表面形成的钝化层，导致催化稳定性急剧衰减；其次，海水体系中相对较低的Cl⁻浓度（~0.5 M）引发氯氧化反应（ClOR）与析氧反应（OER）的激烈动力学竞争，造成目标产物的法拉第效率低；尤为关键的是，在中性/碱性电解质中ClOR的热力学平衡电势（>1.72 VRHE）相较于酸性体系大幅提升，迫使反应体系需要承受更高过电位带来的能量损耗。这些本征性技术壁垒严重制约了基于自然海水直接合成消毒剂的技术可行性，成为实现绿色氯化工产业升级必须突破的"卡脖子"难题。

研究团队提出了一种具有Cl-介导的新型光电极NbClOₓ/BiVO₄，能够直接从天然海水中光电化学合成消毒剂。该电极的起始电位为0.6 VRHE，次氯酸盐法拉第效率接近100%，产率高达119.9 µmol cm⁻² h⁻¹，并具有超过500小时的稳定性。阴极同步生成Mg(OH)₂、CaCO₃和氢气，软化海水。这项技术通过NbClOx催化剂对海水中Cl⁻的定向介导和OH⁻的动态调控，在原子尺度上精准实现了OH*/Cl*活性物种的吸附-活化-转化路径协同，突破了传统氯碱工艺依赖氯气中间体的技术瓶颈。这一机制创新不仅从源头上规避了有毒氯气的生成风险，更在弱碱性海水环境中直接合成高价值消毒剂，将复杂多步反应简化为一步绿色电合成，为氯碱工业提供了“资源-反应-产品”全链条低碳化的颠覆性技术范式。

在生产相同总量消毒剂的情况下，相比于氯碱工艺使用的商业化DSA电极，该体系可以有效降低77.16%电能消耗和75.31% CO₂排放，ClO-的成本约为$0.042±0.003kg-1。本工艺通过突破性机制创新和技术创新实现了消毒剂绿色合成与海洋资源高效利用的协同发展，为氯碱工业的低碳转型提供了兼具环境效益与经济竞争力的革新方案，标志着氯碱行业向可持续发展迈出了里程碑式的重要跨越。

以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、内蒙古自治区“英才兴蒙”一层次团队、内蒙古自治区“草原英才”和内蒙古大学“骏马计划”等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01530-y.

（供稿：化学化工学院    编辑：武涛     审核：刘雪峰    终审：阿茹娜）