氮掺杂多孔生物炭构建p-π共轭结构实现可见光催化胺氧化与CO2 还原高效协同转化

研究人员针对传统胺氧化反应高能耗、低选择性的问题，通过K2 CO3 和氰胺共修饰热解废弃椰壳，构建了具有p-π共轭结构的氮掺杂多孔生物炭（BC），实现了可见光下胺类氧化（86.0%转化率，99.9%选择性）与CO2 还原制甲酸的协同催化。该金属-free催化剂兼具优异循环稳定性，为生物质碳材料在光催化有机合成中的应用提供了新范式。

　　

在全球气候危机和绿色化学发展的双重背景下，如何将温室气体CO₂
转化为高附加值化学品，同时实现有机合成的绿色化，成为催化领域的重要挑战。传统胺类氧化制备亚胺需高温高压且依赖昂贵脱水剂，而现有光催化技术多需贵金属或纯O₂
参与，存在成本高、安全性差等问题。更棘手的是，半导体材料普遍存在光生电子-空穴对（electron-hole pairs）复合率高、可见光利用率低的瓶颈。

湖南的研究团队独辟蹊径，将目光投向废弃生物质资源。通过巧妙设计氮/氧官能团与多孔结构，开发出具有p-π共轭体系的椰壳衍生生物炭（coconut shell-derived BC），在可见光下同步驱动胺氧化与CO₂
还原。该工作发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，展示了生物炭从环境治理材料向高附加值光催化剂的华丽转身。

研究采用三聚氰胺和K₂
CO₃
共修饰的一步热解法（800°C），结合多种表征技术（XPS、Raman、CO₂
-TPD等）和密度泛函理论（DFT）计算。光催化测试在自建反应器中进行，使用535 mW•cm^?2
可见光源，通过GC和GC-MS分析产物。

Photocatalytic activity of biowaste-derived biochar photocatalysts
对比12种生物质原料发现，椰壳和杨木衍生的N/O共掺杂生物炭表现最优，苯甲胺转化率达86.0%，亚胺选择性99.9%，同时生成甲酸。控制实验证实，p-π共轭结构和石墨氮（graphitic-N）是性能关键，其协同作用使电荷分离效率提升3.8倍。

Conclusion
该研究揭示了生物炭中氮原子p轨道与多环芳烃π轨道的相互作用机制：羧酸端基（carboxylic acid groups）和石墨氮构成电子给体-受体系统，既促进CO₂
/胺类的吸附活化，又抑制光生载流子复合。相较于传统g-C₃
N₄
催化剂，生物炭的电荷迁移率提高2个数量级，且循环5次活性无衰减。

这项工作的突破性在于：首次实现生物炭在可见光下协同催化C-N偶联与CO₂
固定，为开发低成本、金属-free的光催化体系提供了新思路。从应用角度看，废弃生物质的资源化利用兼具经济与环境效益，符合"双碳"战略需求。理论计算揭示的p-π轨道相互作用机制，也为碳基催化剂设计提供了普适性指导原则。