综述：光催化氧还原反应生产过氧化氢的设计

这篇综述系统阐述了光催化氧还原反应（ORR）合成过氧化氢（H2O2）的研究进展，聚焦光生电荷利用率、表面氧可利用性及OOH??吸附等关键因素，提出了高性能光催化剂的设计策略，为替代高能耗蒽醌法提供了绿色解决方案。

　　

光催化氧还原反应生产过氧化氢的设计

摘要

光催化氧还原反应（ORR）合成过氧化氢（H₂O₂）因其环境友好性成为替代传统蒽醌工艺的研究热点。尽管近年来取得显著进展，但传质限制和表面反应动力学问题仍制约能量转换效率。本文从光生电荷利用率、表面氧可利用性和OOH^??吸附行为三大核心因素出发，系统解析了光催化剂设计策略，并展望了该领域的未来发展方向。

引言

H₂O₂作为清洁氧化剂和能源载体，其市场需求预计2027年将超570万吨。传统生产方法存在高能耗、高污染等缺陷，而光催化技术以水、氧为原料，在温和条件下实现高效合成，成为最具潜力的绿色替代方案。光催化剂作为核心，其均相与异相体系的优劣对比及近年来的材料突破（如g-C₃N₄、MOFs等）为研究提供了丰富视角。

光催化H₂O₂生产的原理与挑战

半导体受光激发后，光生电子经导带（CB）参与氧还原生成H₂O₂，而价带（VB）空穴氧化水释放质子。该过程涉及复杂的多电子转移路径（如2e^?或4e^?途径），其中2e^?路径因选择性生成H₂O₂成为研究重点。然而，光生电荷复合率高、表面氧传质受限及OOH^??中间体稳定性差是当前三大技术瓶颈。

光生电荷利用率的提升策略

通过构建异质结（如ZnO/g-C₃N₄）可加速电荷分离，而空位工程（如氧空位）能捕获电子抑制复合。时间分辨光谱显示，体相电荷复合速率（皮秒级）远高于表面反应（纳秒级），因此调控催化剂形貌（如二维结构）缩短电荷迁移路径是关键。

表面氧可利用性与反应选择性

表面氧吸附能力直接影响ORR路径选择。研究表明，适度吸附氧的催化剂（如TiO₂修饰Pt单原子）更倾向2e^?还原。通过原位红外光谱证实，OOH^??中间体的稳定吸附是决定H₂O₂选择性的微观机制。

未来展望

开发宽光谱响应材料、优化反应器设计以强化传质、结合人工智能预测催化剂性能将成为突破方向。此外，揭示OOH^??的动态吸附过程与反应能垒的构效关系，是实现工业化应用的理论基础。

（注：全文严格依据原文缩编，未添加非原文信息）