淮北师范大学孟苏刚/城市环境所翁波/Mario BatistaAFM双界面电场调控氧化还原活性位点助力同步光催化生物质增值与制氢

第一作者：李石擎

通讯作者：孟苏刚，Mario J. Muñoz-Batista，翁波

单位：淮北师范大学，西班牙格拉纳达大学，中国科学院城市环境研究所

全球能源危机和日益加剧的环境问题推动了清洁和可持续能源技术的迫切发展。其中，基于半导体的光催化太阳能驱动制氢（H₂）提供了一种将间歇性太阳能转化为可储存化学燃料的有前景方法。然而，全水解（H₂O → H₂ + ½O₂）仍然受动力学限制，特别是由于缓慢的四电子析氧反应（OER: 2H₂O + 4h⁺ → 4H⁺ + O₂）。为规避这一瓶颈，通常使用牺牲剂（如乳酸、三乙醇胺和Na₂S/Na₂SO₃）来加速产氢，但这些方法存在显著缺点，包括成本升高、环境危害以及消耗光生空穴而损害氧化功能。

生物质衍生原料已成为传统空穴清除剂的可行替代品，为耦合产氢和高附加值化学品合成提供了可持续且碳中和的路径。特别是5-羟甲基糠醛（HMF），一种由C₆碳水化合物脱水得到的关键平台分子，含有可氧化的官能团（如羟基、醛基和呋喃环），可转化为一系列高价值化学品，例如2,5-二甲酰呋喃（DFF）、2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、5-羟甲基-2-呋喃甲酸（HMFCA）和2-甲酰基-5-呋喃甲酸（FFCA）。其中，DFF通过HMF中羟甲基的选择性氧化获得，是合成呋喃基聚合物、药物和抗真菌剂的关键中间体。HMF氧化的传统途径（包括化学计量氧化剂、热催化剂、电催化剂和生物催化剂）面临高能量输入、选择性差、副产物形成或可扩展性有限等挑战。相比之下，在环境条件下由可见光驱动的光催化氧化，特别是使用分子氧作为氧化剂，提供了一种更绿色和可持续的替代方案。然而，好氧光催化系统常常遭受DFF的过度氧化，导致不希望的副产物如FDCA、HMFCA和FFCA。为解决这些限制，将HMF氧化与质子还原耦合以产生H₂的厌氧光催化系统近年来受到广泛研究关注。在此类双功能氧化还原系统中，光生空穴选择性氧化HMF生成DFF，而电子还原质子生成H₂。

尽管前景广阔，合理设计能够同时驱动选择性HMF氧化和高效析氢的双功能光催化剂仍然是一项重大挑战。从热力学角度看，光催化剂的导带最小值必须比质子还原电位（H⁺/H₂）更负，而价带最大值必须足够正以氧化HMF，但又不能过高以避免DFF的过度氧化。值得注意的是，在无O₂条件下，不会产生活性氧物种如•O₂⁻，HMF氧化主要通过直接空穴转移进行。因此，精确控制空穴氧化电位对于实现高DFF选择性至关重要。在动力学上，有效的电荷分离、界面电荷转移和强底物吸附是必需的。然而，大多数报道的系统仅专注于增强电子转移（例如通过还原助催化剂），而忽视了空穴介导的氧化路径。这种不平衡阻碍了整体反应效率和选择性。最近的研究强调，醇基团在催化剂表面的强吸附可以显著提高向醛的氧化选择性。

基于这些考虑，孟苏刚(淮北师范大学)、Mario J. Muñoz-Batista（University of Granada）和翁波（中科院厦门城市环境研究所）等报道了分级三维Au/Zn₃In₂S₆/Co₃O₄（记为Au/ZIS/Co₃O₄）异质结构光催化剂的设计与合成。该系统通过组装三维Zn₃In₂S₆（ZIS）纳米片基微花，随后同时光沉积Au和Co₃O₄纳米粒子构建而成。ZIS提供宽可见光吸收、适用于目标氧化还原反应的能带结构以及有利于Au和Co₃O₄光沉积的二维形貌。重要的是，在Au/ZIS和ZIS/Co₃O₄界面处建立了双界面电场（IEFs），促进光生电子-空穴对的定向分离：电子向Au（还原位点）迁移，而空穴向Co₃O₄（氧化位点）转移。Au纳米粒子作为还原助催化剂，降低了析氢过电位，而Co₃O₄不仅促进空穴转移，还增强HMF吸附，从而提高向DFF的氧化选择性。所设计的Au/ZIS/Co₃O₄光催化剂在产氢和选择性HMF氧化方面表现出优于现有系统的性能。具体而言，Au/ZIS/Co₃O₄的析氢速率达到2012.4 μmol·g⁻¹·h⁻¹，DFF选择性高达96%，是空白Zn₃In₂S₆（260.4 μmol·g⁻¹·h⁻¹）的7.7倍。Au/ZIS/Co₃O₄的产氢速率在已报道的同时进行HMF增值和产氢的光催化剂中为最高。该研究通过一系列原位和理论技术（包括密度泛函理论DFT计算、原位X射线光电子能谱（XPS）、原位电子顺磁共振（EPR）、原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）、纳秒瞬态吸收光谱（ns-TAS）和飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱）阐明了机理。该工作为合理设计能够实现空间分离氧化还原反应的双功能光催化剂提供了全面策略，以实现同步生物质增值和绿色制氢，为可持续太阳能-化学能转换技术的发展提供了新方向。

通过在Zn₃In₂S₆表面同时原位光沉积还原活性位Au和氧化活性位Co₃O₄，构建了Au/ZIS/Co₃O₄独特的双界面电场，实现了光生电子和空穴分别定向迁移至Au和Co₃O₄的空间分离传输。此外，还原活性位Au可以显著降低析氢过电势，促进产氢；氧化活性位Co₃O₄通过钴原子与HMF的羟基氧相互作用显著增强了HMF的吸附与活化。实现了HMF高效和高选择性转化的同时耦合产氢。

光催化活性测试结果表明，Au/ZIS/Co₃O₄的产氢速率达到2012.4 μmol·g⁻¹·h⁻¹，DFF产率为67.2%（选择性>96%），且具备优异的循环稳定性，其产氢性能是ZIS的7.7倍，是目前已报道同步实现HMF增值转化与产氢的光催化剂中的最高值。此外，本研究通过求解管式光反应器中的辐射传输方程（RTE），首次对体系的本征量子效率进行了定量评估。该工作展示了构建氧化还原位点分离型光催化剂以实现生物质增值与太阳能制氢的稳健且可推广的策略，为新一代可持续能源和化学品生产的光催化系统设计原理提供了重要见解。

Tailoring Redox Active Sites with Dual-Interfacial Electric Fields for Concurrent Photocatalytic Biomass Valorization and H₂ Production”

翁波，研究员，中国科学院BR计划候选人，福建省引进高层次创业创新人才，福建省高层次人才，欧盟玛丽居里学者，比利时FWO研究学者。2024年加入中国科学院城市环境研究所，主要从事能源与环境光/电催化研究。近年来，已在SCI收录专业期刊发表论文90篇，SCI引用6200余次（谷歌学术），h指数39。第一或通讯作者在Nat. Rev. Clean Technol., Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nat. Commun.等期刊发表论文44篇。受邀担任NPJ Clean Water, Scientific Report等期刊编委；Chem, Carbon Energy, Chin. Chem. Lett., EcoMat, EcoEnergy等期刊青年编委。担任Chem, Adv. Funct. Mater, Carbon Energy, ChemSusChem, RSC Mater. Adv.等期刊客座编辑。受邀担任国家自然科学基金，欧盟玛丽居里博士后基金项目评审专家。同时担任Nat. Water, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.等国际期刊审稿人。

孟苏刚，博士、教授，研究生导师、淮北师范大学“青年相山学者”、安徽省学科（专业）带头人、中国科学技术大学访问学者。博士毕业于福州大学光能源与环境光催化国家重点实验室。研究方向为低维材料的设计合成及其在能源转化与绿色合成等领域的应用。近年主持国家自然科学基金和省部级课题等13项，授权发明专利11件，在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy和Chinese Journal of Catalysis等期刊发表SCI论文100余篇，被引用8000余次(谷歌学术)，h-index 53。稀有金属, Advanced Powder Material, ChemSusChem, Microstructures, Chemical Synthesis, ChemNanoMat, ChemPhotoChem, ChemPhysChem等多个期刊的青年编委/客座编辑，国家自然科学基金和安徽等多省科技相关项目/实验室平台等网评/会评专家，获安徽省优秀青年研究生导师、安徽省杰青项目、安徽省自然科学技术一等奖、入选全球前2%顶尖科学家榜单等。

Mario J. Muñoz-Batista获得了哈瓦那科技大学（CUJAE University）的化学工程学士学位(2009年)、马德里自治大学（Autonoma University of Madrid）的硕士学位(2011年)和西班牙国家研究委员会催化和石油化学研究所（Institute of Catalysis and Petrochemistry (ICP) - Spanish National Research Council）的博士学位(2015年)，现任职于西班牙格拉纳达大学（Granada University）。他的研究兴趣集中在新型（光）热催化材料的设计和表征及其在光催化，（光）重整中的应用以及反应器的设计和建模。近年来，已在Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie、ACS Catalysis、Applied Catalysis B等高水平期刊上发表论文140余篇，论文总被引数累计5080，h指数40。