据估计，全世界目前有36亿人无法喝到纯净的饮用水，到年这一数字可能会增加到57亿，获得纯净的饮用水一直是联合国的可持续发展目标之一。

氯化消毒是一种常用的水净化手段，但其残留物容易致癌，因此开发无残留的水净化方式迫在眉睫。H2O2具有广谱杀菌活性，残留物只有水，因而受到人们的青睐。

工业合成的H2O2以蒽醌法为主，为了便于储存、运输需要加入稳定剂，导致H2O2的杀菌效果大打折扣，残留物也有所增加，反而不如氯化杀菌有效。

卡迪夫大学GrahamJ.Hutchings教授团队合成了一种Au-Pd/TiO2催化剂，在通入2%H2/空气时可以原位生成H2O2，随后在表面Au的催化下转化为多种活性氧物种（ROS，如HO?、HOO?和O2?-），仅需接触30秒，可以有效杀灭水中99.%的大肠杆菌，效果比仅加入H2O2强出倍，是氯气杀菌效果的倍，特别适合于缺水地区的饮用水净化处理。

研究者采用溶液共浸渍法将0.5%的Au和Pt前驱体浸渍到TiO2载体上，在空气中℃下煅烧3小时得到了1%AuPd/TiO2催化剂。

图1.水中各种离子对1%AuPd/TiO2催化活性的影响。

既然要将这么金贵的催化剂用于水净化，就得先研究一下水中的各种离子对其催化活性的影响。研究者发现水中常见的离子，如Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、CO32-、NO3-、PO43-和SO42-，对催化剂原位生成双氧水没有影响（如图1所示，虚线表示去离子水中催化生成双氧水的浓度），葡萄糖等有机物的影响也有限。

图2.1%AuPd/TiO2催化生成H2O2浓度曲线。

研究者发现在H2含量2%、H2/空气压力10bar、催化剂用量mg、水流速度0.2mL·min-1、温度2℃的条件下，仅需30秒，1%AuPd/TiO2催化剂就能产生ppm的H2O2。催化过程对O2和H2分别为零级和一级动力学，H2O2的形成是向O2和HOO的连续质子-电子转移过程，其中H2氧化的化学势是热力学驱动力。

图3.1%AuPd/TiO2催化过程中ROS的鉴定。

随后，研究者又采用电子顺磁共振技术（EPR）研究了催化过程中产生的ROS。发现当直接加入H2O2时，检测到的ROS数量有限，仅0.13±0.04~0.18±0.04μM（如图3中iv、v所示）；而在催化剂表面H2/O2原位生成H2O2的水溶液中则富含大量ROS，浓度达到了0.66±0.04μM（如图3中iii所示）。

如果催化剂中仅含有Pt，虽然可以形成H2O2，但却产生不了ROS（如图3中viii、ix所示），加入Au才行（如图3中xi所示），说明Au对于催化剂表面生成ROS必不可少。

图4.常规消毒剂和原位生成H2O2的杀菌效果比较。

图5.催化剂性能及活性氧浓度与杀菌效果的关系。

研究者尝试了其它Au/Pt比例下催化剂的灭菌效果，发现只有当两者等摩尔比时，即0.5%Au-0.5%Pd/TiO2，催化效果最好，达到8.1log10单位，Au多一些或者Pt多一些的杀菌效果只有1.6log10和4.1log10单位。

这是由于在这一金属比例下，原位生成的H2O2催化转化出更多的ROS，而ROS总浓度和灭菌效果之间存在线性相关性，如图5b所示。在催化剂的作用下生成的众多ROS中，他们认为HO?物种对杀菌做出了最大贡献。

小结：研究者开发了一种Au-Pd负载型催化剂1%AuPd/TiO2，在通入2%H2/空气情况下，可以原位生成H2O2，随后它们被催化剂表面的Au分解为ROS。只需要接触30秒，可以有效杀灭水中99.%大肠杆菌，对导致脊髓灰质炎的MS2细菌也有很好的杀灭效果。在催化剂表面Au和Pt等比例时，催化杀菌效果最好。这种水净化方式比加入H2O2有更好的杀菌活性，比氯化杀菌更安全，而且无惧水中的各种无机离子和多种有机物。

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