摘要：碳氮化合物(g-C3N4)因其负导带能够驱动双电子氧还原反应(O2+2H++2e−→H2O2，0.695 VNHE)，在H2O2光合作用中引起了广泛的关注。然而，以水作为原料的双电子水氧化反应(2H2O+2h+→H2O2+2H+，1.76 VNHE)由于具有较
研究概述
碳氮化合物(g-C3N4)因其负导带能够驱动双电子氧还原反应(O2+2H++2e−→H2O2，0.695 VNHE)，在H2O2光合作用中引起了广泛的关注。然而，以水作为原料的双电子水氧化反应(2H2O+2h+→H2O2+2H+，1.76 VNHE)由于具有较高的正电位而不易实现。另一种可能的途径是以O2为产物的四电子水氧化，随后在ORR中消耗O2。事实上，大多数报道的g-C3N4光催化剂的光生空穴在热力学上不利于O2的演化，这严重限制了H2O2的总产量。
根据前人的研究，将B掺杂剂引入到g-C3N4(BCN)中，可以显著调节价带结构，从而改变水的氧化能力。因此，由此产生的BCN具有改善的O2生产性能，使其成为利用O2和H2O光合成H2O2的有希望的候选者。但是，目前BCN的光催化H2O2合成性能仍然受到缓慢的ORR动力学和电子寿命短的阻碍。
近日，黑龙江大学井立强、边辑和张紫晴等提出了一个策略，在没有任何牺牲剂的情况下实现直接一步2e−ORR高效生产H2O2。具体而言，研究人员将配位不饱和的FeOOH和CoOx团簇精确地锚定在BCN上得到CoOx-BCN-FeOOH光催化剂，其在可见光照射下提供了较高的H2O2产率(0.34 mmol g-1 h-1)，太阳能-化学能转换效率为0.75%。
原位热分析显示，在CoOx-BCN-FeOOH上，ORR的反应效率为34.1%。实验和理论结果证实，该催化剂对H2O2生产具有较好的活性可归因于引入的FeOOH促进了氧活化和改性的CoOx团簇使得电子寿命更长。
此外，研究人员还提出了在CoOx-BCN-FeOOH催化剂上生产H2O2的电荷转移和氧化还原反应的合理机理：在光照射下，BCN的光生空穴转移到CoOx团簇上，然后用于加速水氧化产生O2；同时，O2以Pauling型吸附构型适应与配位不饱和FeOOH结合，寿命大大延长的光生电子启动一步2e−ORR，促进H2O2的光合作用。显然，长寿命的光生电子和较好的氧活化的协同作用使得高效产生H2O2。
总的来说，该项工作利用双活性中心工程策略来提高单组分催化剂的电子寿命和氧活化以高效率生产H2O2，为后续开发高效的双活性中心催化剂以促进H2O2生产和研究在ORR期间的电子动力学途径提供了参考。
文献信息
Photocatalytic H2O2 production over boron-doped g-C3N4 containing coordinatively unsaturated FeOOH sites and CoOx clusters. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53482-0
作者介绍
井立强，黑龙江大学教授，博士生导师，长江学者。入选多项国家级人才计划、享受国务院政府特殊津贴专家、教育部创新团队带头人。现任黑龙江大学党委常委、副校长、功能无机材料化学教育部重点实验室副主任。
2003年毕业于哈尔滨工业大学并获得博士学位。2004-2006年在吉林大学大学开展光催化方面的博士后研究工作。2009-2010年在英国Imperial College London作为访问教授访学1年。
多年来主要围绕环境与能源光催化领域开展研究，主持承担20余项省部级以上重要课题，共获省科技奖一等奖2项、中国授权发明专利17项。作为通讯或第一作者，至今已在“Nat Commun”、“Angew Chem Int Ed”、“Adv Mater”、“Chem Soc Rev”、“Energy Environ Sci”、“Adv Energy Mater”、“Adv Sci”和“Environ Sci Tech”等上发表SCI论文200余篇，被SCI论文总引用18000余次，近10年连续成为了Elsevier公司发布的中国高被引学者。
张紫晴，黑龙江大学副教授，黑龙江省优秀青年基金获得者。1990年出生，2018年于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室获得博士学位。
主要从事有机聚合物基光催化剂的开发及其在光催化CO2还原和H2O2生产方面的研究工作。主持国自然青年项目在内的科研项目4项，作为第一作者及通讯作者至今在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Mater.、Appl. Catal. B等国际高水平期刊发表SCI论文22篇。
边辑，黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室副研究员，黑龙江省优秀青年基金获得者。1992年出生，2021年于哈尔滨工业大学获得博士学位。
近年来主要从事人工光合成领域的能源光催化材料设计合成相关工作。主持国自然青年项目在内的科研项目4项，以第一作者和通讯作者于Nature Communications、 Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Small structures等著名国际期刊发表多篇研究论文。
来源：华算科技