编辑推荐：
目前，H2O2合成主要依赖高能耗、重污染的蒽醌法。研究人员针对此问题，开展了调控氮化碳（CN）氧还原途径优化 H2O2光合成的研究。结果显示，优化后 H2O2产率显著提升，为 H2O2合成提供新策略。
过氧化氢（H2O2）在环境修复、纺织漂白、杀菌以及化学合成等众多领域都有着广泛的应用，是一种极为重要的化学品。然而，当下 H2O2的合成主要依靠蒽醌法，这种方法存在着高能耗与严重污染的问题，就像是一个 “耗能大户” 兼 “污染工厂”，与当下绿色可持续发展的理念背道而驰。在此背景下，利用太阳能驱动的光催化合成 H2O2技术崭露头角，它就像是黑暗中亮起的一盏明灯，为 H2O2的绿色合成带来了希望。
在光催化合成 H2O2的过程中，氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）会同时发生，其中 H2O2主要来源于 ORR。要想让光催化反应高效进行，实现电荷的高效分离是关键。为此，科研人员们付出了诸多努力，尝试了添加牺牲剂、元素掺杂、构建异质结、引入缺陷等多种方法。但即便如此，问题依然存在。在 ORR 过程中，由于氧的单电子还原电位较低（O2/O2●?， -0.13 V vs. RHE），这使得氧优先发生单电子还原生成超氧中间体（O2●?），而这个过程会引发各种副反应，导致生成的 H2O2浓度降低，就好比是原本顺畅的生产流程中出现了许多 “岔路”，分散了能量和物质的转化方向。
相比之下，两电子反应因能最大程度减少 O-O 键的断裂，有望实现更高的原子利用效率，可传统的含金属活性位点的光催化剂虽然在 ORR 选择性上表现不错，但其合成过程复杂，不利于大规模应用。于是，有机光催化剂进入了研究人员的视野，其中氮化碳（C3N4，简称 CN）自 2009 年被发现具有产氢性能后，就受到了越来越多的关注，其改性后的材料在氧还原、有机合成、产氢以及 CO2还原等多个领域都展现出了良好的活性。在此基础上，研究人员思考能否通过调控 CN 的氧还原途径来实现 H2O2的高效合成，减少副反应，甚至让反应能在碱性条件下进行呢？带着这些疑问，研究人员开启了他们的探索之旅。
虽然文中未提及具体研究机构，但这些研究人员开展了一项关于调控氮化碳氧还原途径优化 H2O2光合成的研究。研究发现，通过调节前驱体进料比，向 CN 光催化剂中引入氰基和 N 缺陷后，优化后的光催化剂（BCN）的 H2O2产率达到了 570 μmol/g/h，是原始 CN 的 11 倍。而且，经过旋转环盘电极（RRDE）测试证实，在优化后的 BxCN 中，反应从单电子途径转变为了两电子途径，这大大减少了有害自由基（?OH）的生成。该研究成果发表在《Applied Catalysis A: General》上，为优化 H2O2光合成提供了一种全新且有效的策略，在 H2O2合成领域具有重要的意义，有望推动相关产业向绿色、高效的方向发展。
研究人员在开展此项研究时，用到了几个主要关键的技术方法。首先是光催化剂的合成技术，通过特定的煅烧和研磨步骤制备原始的 g-C3N4，并通过改变 NaBH4的用量制备不同的改性 CN；其次，利用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的形貌；还使用了 X 射线衍射（XRD）技术分析样品的晶体结构；通过旋转环盘电极（RRDE）测试来探究氧还原途径的转变。
结果和讨论
- 光催化剂的制备及形貌结构：研究人员制备了多种改性的 C3N4，如 B0.3CN、B3CN 和 B10CN。通过 SEM 观察发现，原始 CN 呈现纳米棒形态，NaBH4的还原作用并未改变样品的形貌。XRD 分析显示，原始 CN 有两个主要衍射峰，分别对应于七嗪单元的面内重复堆积（100）和芳香片段的面间堆叠（002）。
- H2O2产率的提升：经过测试，不同改性的光催化剂在 H2O2产率上表现各异，其中最优的光催化剂 BCN 的 H2O2产率达到 570 μmol/g/h ，相比原始 CN 提升了 11 倍，这表明改性后的光催化剂在 H2O2光合成方面具有显著优势。
- 反应途径的转变：RRDE 测试结果证实，在原始 CN 中发生的单电子氧还原在 BxCN 中转变为两电子途径。这种转变不仅提高了 ORR 效率，还加速了 O2●?向 H2O2的转化，减少了有害自由基（?OH）的生成，从而提升了 H2O2的合成效率。
研究结论和讨论
本研究成功提出了一种通过调控氧还原途径优化 H2O2光合成的有效方法。研究人员通过引入氰基和 N 缺陷，增强了光催化剂中未成对电子的含量和氧的利用效率，更为重要的是实现了反应途径从单电子到两电子的转变。这一成果在多个方面都有着重要意义，一方面，它为解决传统 H2O2合成方法的弊端提供了新的方向，有望降低 H2O2合成的能耗和污染；另一方面，为光催化材料的设计和开发提供了新的思路，有助于推动光催化领域的进一步发展，促进相关技术在更多领域的应用。
