金属自由催化剂实现自然海水中光催化产氢与污染物氧化的协同耦合

本研究针对海水光解制氢过程中金属催化剂易腐蚀和二次污染问题，构建了金属自由的三蝶烯共价聚合物/g-C3 N4 (TP-CN)催化剂。通过模拟污染物氧化与H2 生成的耦合反应，发现甲酸(FA)作为氧化剂时H2 产率高达2821.3 μmol h?1 g?1 ，较纯水体系提升86%。该工作为海洋资源化利用提供了新型稳定催化剂设计策略。

　　

随着全球能源危机加剧，利用取之不尽的太阳能直接分解海水制氢被视为理想解决方案。然而现实海水中复杂的盐分和污染物不仅会腐蚀传统金属催化剂，更可能导致二次污染。更棘手的是，污染物对光催化过程的影响机制尚不明确——它们究竟会作为质子源促进反应，还是通过氧化还原路径干扰产氢？这些问题严重制约着海洋光催化技术的实际应用。

针对上述挑战，国内某研究团队在《Journal of Catalysis》发表创新成果。研究人员另辟蹊径，选择具有优异化学稳定性的石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)为基础，通过原位铃木偶联反应将多孔三蝶烯共价聚合物(TP)与其复合，成功构建出全碳基的TP-CN异质结催化剂。该设计巧妙融合了g-C₃
N₄
的合适能带结构与TP的高比表面积特性，在模拟太阳光下实现了2821.3 μmol h^?1
g^?1
的创纪录产氢效率，同时完成污染物的同步降解。

研究团队采用多种先进表征技术揭示作用机制：通过原位瞬态光电压(TPV)技术捕捉到FA存在时的快速电荷分离过程；Kelvin探针力显微镜(KPFM)直接观测到异质结界面电势差；密度泛函理论(DFT)计算证实TP-CN具有增强的氧化还原能力。特别值得注意的是，对比实验发现当污染物仅作为质子源时产氢活性低下，而参与氧化反应的污染物（如FA）却能显著提升性能——这颠覆了传统牺牲剂的作用认知。

【材料表征】部分显示，TP-CN1的比表面积达218 m²
g^?1
，是纯g-C₃
N₄
的4.6倍。X射线光电子能谱(XPS)证实TP与g-C₃
N₄
间形成C-N-C共价键，这种强相互作用保障了催化剂在海水极端环境下的稳定性。

【结论】部分强调，该金属自由催化剂在10次循环后仍保持92%活性，其卓越稳定性源于：1) 全有机组分避免电化学腐蚀；2) 共价键网络抵抗盐分侵蚀；3) 多孔结构促进物质传输。这项工作不仅为海洋环境治理-能源生产协同系统提供了新范式，更开创性地揭示了污染物在光催化过程中的双刃剑效应。

这项研究的突破性在于：首次明确区分了污染物在海水光催化中的双重角色；开发出可耐受pH 1-14极端条件的超稳定催化剂；将基础研究与实际应用完美结合——使用真实海水而非模拟盐水进行实验，大大提升了成果的转化价值。正如通讯作者Qian Liang和Zhenhui Kang指出，这种"以废治废"的策略为可持续发展提供了教科书级的范例。