铋钇氧卤化物光催化双路径合成过氧化氢：突破无牺牲剂依赖的高效制备新策略

针对光催化H2O2生产依赖有机电子给体或高纯O2的瓶颈问题，研究人员通过设计Pt-IrO2共修饰的Bi2YO4X（X=Cl/Br/I）氧卤化物，首次实现同时驱动氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）的双路径催化，在无牺牲剂条件下获得647 μmol L?1 h?1的创纪录活性，为绿色合成H2O2提供新范式。

　　

在追求绿色化学的今天，过氧化氢（H₂O₂）作为环境友好型氧化剂，其传统工业生产却面临高能耗、多副产物的困境。尽管光催化合成技术展现出潜力，但现有体系普遍存在"单腿走路"的缺陷——要么只能通过氧还原反应（ORR），要么仅依赖水氧化反应（WOR），且大多需要添加牺牲剂，这与绿色合成的初衷背道而驰。更棘手的是，同时协调两种反应路径对催化剂能带结构和表面活性提出了近乎矛盾的要求，成为该领域长期悬而未决的难题。

针对这一挑战，天津大学（根据文末资助项目中的"Natural Science Foundation of Tianjin"推断）的研究团队独辟蹊径，将目光投向具有独特层状结构的铋钇氧卤化物Bi₂YO₄X。通过精妙的"双功能共催化剂"设计——用铂（Pt）促进ORR，用氧化铱（IrO₂）调控WOR，成功构建出IrO₂-Pt/Bi₂YO₄Cl催化体系。这一创举不仅实现了647 μmol L^?1 h^?1的H₂O₂产率（当前非牺牲剂体系的最高记录），更在长达6轮的循环测试中保持81%以上的活性，相关成果发表在《Journal of Energy Chemistry》上。

研究团队采用多学科交叉的研究方法：通过高温固相法合成Bi₂YO₄X晶体，利用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认其层状结构；借助紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和莫特-肖特基测试（Mott-Schottky）测定能带结构；采用电子顺磁共振（EPR）和同位素标记实验追踪反应路径；最后通过高效液相色谱（HPLC）定量分析H₂O₂产率。

【结构表征】XRD与TEM证实成功制备出单相Bi₂YO₄X，其独特的[Bi₂O₂]²⁺/[YO₂X]^2?交替层状结构为电荷分离提供天然优势。

【能带工程】UV-Vis显示Bi₂YO₄Cl具有2.8 eV带隙，其导带位置（-0.41 V vs. NHE）满足ORR的O₂→H₂O₂（-0.33 V）要求，价带位置（2.39 V）则覆盖WOR的H₂O→H₂O₂（1.77 V）电位窗口。

【双功能催化】EPR证实Pt促进两电子ORR路径（·O₂^?→H₂O₂），而IrO₂加速四空穴WOR过程（H₂O→·OH→H₂O₂），同位素标记实验证明空气中O₂与水中H共同构成H₂O₂的氧源。

【性能突破】优化后的IrO₂-Pt/Bi₂YO₄Cl在环境条件下实现647 μmol L^?1 h^?1的产率，是未修饰样品的8.3倍，且可见光响应特性有效规避了紫外光导致的H₂O₂分解问题。

这项研究开创性地证明了氧卤化物材料同时驱动ORR/WOR双路径的可行性，其创新价值体现在三方面：首先，Bi₂YO₄X家族成为首个实现高效无牺牲剂H₂O₂光合成的氧卤化物体系；其次，Pt-IrO₂共修饰策略为多反应协同催化提供了普适性设计思路；最后，该工作将光催化H₂O₂生产从实验室的理想条件推向实际大气环境应用。正如通讯作者Beibei Dong在讨论部分强调的，这种"自给自足"的催化模式——利用空气中O₂和普通水作为原料，不仅大幅降低成本，更真正实现了"用阳光生产绿色氧化剂"的可持续目标，为未来建立分布式H₂O₂生产装置奠定了材料基础。