通过优化质子转移，设计出空间位置邻近的功能位点，以实现高效的光催化过氧化氢生产

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Tailored Spatially Proximal Functional Sites for Efficient Photocatalytic Production of Hydrogen Peroxide via Optimized Proton Transfer

双功能异质结构调控质子浓度提升纯水电催化过氧化氢产率

　　

摘要

通过纯水中的氧气还原反应（ORR）高效地实现非牺牲性的光催化H₂O₂生成引起了广泛关注。然而，在质子（H⁺）浓度较低的纯水中，通过ORR生成H₂O₂所需的H⁺必须由水氧化反应（WOR）提供，而WOR的反应动力学明显较慢（约几秒），相比之下ORR的反应速度非常快（几微秒到几毫秒）。在这项研究中，我们展示了通过在石墨碳氮化物（CN）中策略性地引入功能位点，可以调节ORR和WOR中H⁺的供需平衡。具体来说，引入-CN基团和P杂原子不仅确保了空间邻近性，还建立了功能协同作用，显著提高了ORR过程中的局部H⁺浓度。因此，在纯水中实现了359.5 μmol g^?1 h^?1的出色H₂O₂生成速率，在400纳米处其量子效率达到17.5%，太阳能到化学能的转化效率为0.56%。本研究提供了一种通过调节ORR过程中的局部H⁺可用性来优化光催化H₂O₂生成的新策略。

章节摘录

引言

在全球前100种化学品中，过氧化氢（H₂O₂）是一种高价值的氧化剂，广泛应用于各个行业（例如医疗消毒、化学合成、漂白和环境治理）[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，目前超过95%的H₂O₂是通过多步骤蒽醌法生产的，这种方法能耗高且产生大量废物[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。通过光生电子驱动的氧气还原反应（ORR）来实现的光催化H₂O₂生成...

催化剂设计

为了平衡两个半反应中的H⁺供需，我们提出在选定的CN材料中策略性地整合两种具有不同功能的位点：一个用于H⁺吸附，另一个用于O₂吸附。通过确保它们的空间邻近性，吸附的H⁺可以有效地转移到O₂吸附位点，从而提高ORR过程中的局部H⁺浓度。已经证实-CN基团具有吸附H⁺的潜力...

结论

在这项研究中，我们展示了一种增强光催化H₂O₂生成的新策略。通过在CN中引入空间邻近且功能协同的-CN基团和P杂原子，我们有效地提高了ORR过程中的局部H⁺浓度，从而抑制了竞争性OH*中间体的形成，并提高了ORR过程的热力学优势。结果，在纯水中实现了高达359.5 μmol g^?1 h^?1的H₂O₂生成速率...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42130705、42422702、42407082和22176030）、中国博士后科学基金（2022M720700）以及中央高校基本科研业务费（2412023QD027）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。