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传统蒽醌氧化法生产过氧化氢（H2O2）能耗高、污染大。研究人员以天然轻木提取的纤维素和吡咯为原料，制备吡咯掺杂的水热碳质碳（Py/HTCC）光催化剂。其 H2O2生成速率达 1437.7 μmol?g-1·h-1，为无吡咯 HTCC 的 3.8 倍，意义重大。
过氧化氢（H2O2）作为一种环境友好的多功能氧化剂，在化工、医疗、能源和环境等诸多领域都有着广泛应用。比如在化工生产中，它常被用作漂白剂和氧化剂；在医疗领域，可用于伤口消毒；在能源方面，它是潜在的绿色能源载体。然而，传统的蒽醌（AQ）氧化法虽然是目前工业生产 H2O2的主要手段，但这一方法存在严重弊端。一方面，它需要大量的能量输入，这无疑增加了生产成本；另一方面，在生产过程中会产生大量污染物，对环境造成极大压力。随着人们对绿色化学和可持续发展的关注度不断提高，寻找一种更加环保、高效的 H2O2生产方法迫在眉睫。
水热碳质碳（HTCC）因其绿色可持续性和良好的半导体性能，在光催化 H2O2生产领域受到了广泛关注。但 HTCC 也并非完美无缺，它存在光生载流子分离缓慢和能量利用率低的问题，这严重限制了其在实际生产中的应用效果。为了解决这些难题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们以从天然轻木中直接提取的纤维素和吡咯为原料，成功构建了一种新型的吡咯掺杂 HTCC（Py/HTCC）光催化剂，致力于提升 H2O2的光合成效率。
研究结果令人振奋。优化后的 Py/HTCC 光催化剂展现出了卓越的性能，在模拟太阳光照射下，无需牺牲剂，在纯水中的 H2O2生成速率高达 1437.7 μmol?g-1·h-1，这一数据是相同条件下无吡咯 HTCC 光催化剂（379.4 μmol?g-1·h-1）的 3.8 倍。该研究成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为光催化生产 H2O2领域开辟了新的道路，有望推动相关产业朝着更加绿色、高效的方向发展。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是材料制备技术，通过一系列化学处理从天然轻木中提取纤维素，再将其与吡咯反应制备出不同的光催化剂；其次是理论计算技术，利用该技术揭示了呋喃 - 吡咯交替的 π 共轭结构对 Py/HTCC 能级结构的优化作用。
结果与讨论
研究人员发现，Py/HTCC 中由电子供体（呋喃单元）和受体（吡咯单元）堆叠形成的强 π 共轭结构，具有多重优势。一方面，这种结构能够加速分子内电荷转移，实现较低的带隙和高效的光吸收，让光催化剂能够更好地利用太阳光能；另一方面，它还能显著减小粒子尺寸，暴露出丰富的活性位点，为化学反应提供更多的反应场所。从能级结构角度来看，Py/HTCC 中由交替的电子供体（D）和受体（A）单体形成的 π 共轭 D - A 堆叠体系，具有较低的 HOMO - LUMO 能隙。这种结构优化了光催化剂的能级结构，促进了载流子的分离，从而提升了其对 H2O2光合成的催化性能。在水热条件下，从生物质原料（天然轻木）中提取的纤维素解聚后形成的呋喃单元会与吡咯单元聚合，进一步强化了这种 π 共轭结构。
理论计算表明，呋喃 - 吡咯交替的 π 共轭结构对 Py/HTCC 的性能提升起到了关键作用。它优化了 Py/HTCC 的能级结构，提高了光生载流子的分离效率，增强了对氧气的吸附和活化能力。这些因素共同作用，使得 Py/HTCC 在 H2O2光合成反应中表现出显著增强的活性。得益于其高能量利用率、低反应能垒、加速的氧还原动力学以及良好的光热辅助效应，Py/HTCC 在光催化 H2O2生产方面展现出巨大的潜力。
研究结论与讨论
本研究成功合成了一系列由吡咯和呋喃环连接而成的含吡咯 HTCC 光催化剂，为提升 H2O2光合成效率提供了新的解决方案。研究证明，以呋喃单元为电子供体、吡咯单元为电子受体堆叠形成的强 π 共轭结构，赋予了 Py/HTCC 优异的光生电子转移能力。这不仅优化了光催化剂的能级结构，加速了光生载流子的分离，还增强了对氧气的吸附和活化，从而显著提高了 H2O2的生成速率。
该研究成果具有重要的理论和实际意义。在理论层面，它深入揭示了呋喃 - 吡咯交替的 π 共轭结构与光催化剂性能之间的关系，为后续光催化材料的设计和优化提供了理论依据；在实际应用方面，Py/HTCC 光催化剂的优异性能为绿色、高效生产 H2O2提供了新的技术途径，有望推动相关产业的可持续发展。然而，目前该研究仍处于实验室阶段，未来还需要进一步开展大规模制备和应用研究，以评估其在实际工业生产中的可行性和稳定性，从而更好地实现从实验室到工业化的转化。
