东北师范大学田宇阳、朱广山教授Angew: PAFs实现压电催化产H₂O₂新纪录

邃瞳科学云

2025-12-04

导读：本研究开发了一种具有压电特性的疏水，无金属多孔芳香骨架，用于压电催化水和空气转化为过氧化氢，产率高达 30,694 µmol g-1 h-1，这一数值不仅远超所有已报道的压电催化剂，甚至超越了大多数光

第一作者：窦子龙

通讯作者：田宇阳，朱常岩，朱广山

通讯单位：东北师范大学

论文DOI：http://doi.org/10.1002/anie.202521184

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过氧化氢不仅是一种广泛应用于医疗消毒、纸张漂白和环境修复的化合物，更已成为一种环境友好的燃料电池能源载体。它被视为氢气的替代品，具有更优异的储存稳定性和运输安全性。过氧化氢产能预计在未来十年以每年5%的速度增长，市场规模将达到54亿美元。

东北师范大学田宇阳、朱广山教授开发了一种具有压电特性的疏水、无金属多孔芳香骨架，用于压电催化水和空气转化为过氧化氢，产率高达 30,694 µmol g^-1 h^-1，这一数值不仅远超所有已报道的压电催化剂，甚至超越了大多数光催化体系的性能，实现了水-空气体系H₂O₂合成的重大突破。

研究表明，可以通过明确的偶联反应连接方式，在传统长程无序的多孔芳香骨架中构建短程有序的压电性结构单元（图1），赋予材料显著的本征压电特性（PFM显示出明显的蝴蝶曲线与电滞回线，图2）。材料完全由有机结构单元通过共价键连接而成，不含任何金属成分，有效避免了金属催化剂可能引发的H₂O₂分解副反应，同时具备优异的化学稳定性和热稳定性，可在苛刻环境下保持结构完整。基于芳香骨架的固有疏水性质，材料表面对水分子和H₂O₂产物表现出差异性亲和力，有利于产物脱离活性位点，避免过度反应，同时促进氧气在固-液界面的富集，显著提升了两电子氧还原反应的选择性。通过系统的控制实验、光谱表征与理论计算相结合，完整揭示了该体系协同进行水氧化反应和氧还原反应的全催化循环，明确了其通过间接与直接2e^- ORR路径高选择性生成H₂O₂，并通过4 e^- WOR路径实现水氧化提供反应氧源，整个过程无需任何牺牲剂（图3、图4）。

Figure 1. Construction of PAF-255 and PAF-256 from the building units to polar motifs and non-centrosymmetric frameworks. Yellow (S), Gray (C), White (H) and Blue (Br).

Figure 2. (a) FTIR spectra, (b) solid-state ¹³C CP/MAS NMR spectra, (c) nitrogen adsorption–desorption isotherms at 77k and pore size distribution (Inset) of PAF-255. (d) (g) KPFM potential images, (e) (h) height and surface potential curves, (f) (i)phase hysteresis loop and amplitude butterfly loop of PAF-255 and PAF-256.

Figure 3. (a) Kinetics curves of H₂O₂production piezocatalyzed by PAF-255 and PAF-256 in pure water and air. (b)Evaluation of piezocatalytic performance for H₂O₂ synthesis of PAFs with other reported piezocatalysts under water/air condition.(c)UV-vis absorption spectra of PAF-255 and PAF-256. (Insets: the optical band gaps). (d) Mott-Schottky curves of PAF-255. (e) Band structures of PAF-255 and PAF-256. (f) Comparison of the concentrations of hydrogen peroxide under different experimental conditions. (g) EPR spectra of PAF-255 and PAF-256. (h) Koutecky–Levich plots of PAF-255 and PAF-256 based on RDE analysis. Error bars represent the standard deviation of three replicate tests.

Figure 4. The density functional theory (DFT) simulations of PAF-255. (a) Computed total density of states of material under applied pressures. (b) Free energy diagram of intermediates via two-step single-electron ORR pathways under applied pressures. (c) Optimized adsorption site of O₂ molecule. (d) Free energy diagram for WOR pathways under applied pressures.

总结与展望

这项突破性工作首次在多孔芳香骨架中成功实现了压电催化功能的定向设计与高效表达。通过分子水平的结构设计，将压电特性、疏水性和无金属特性有机整合于单一材料中，协同促进了H₂O₂的高效生成与稳定存在。

文献信息

Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e21184
DOI: 10.1002/anie.202521184

作者介绍

田宇阳，教授、博士生导师。2007 年毕业于吉林大学化学学院，获理学学士学位。2014 年毕业于英国圣安德鲁斯大学化学学院，获理学博士学位，导师为英国皇家学会院士（FRS）Russell Morris 教授。2015 年起就职于东北师范大学多酸与网格材料化学教育部重点实验室，现任化学学院博士生导师，教授。主要研究工作兴趣在于多孔芳香骨架材料（PAFs）的设计合成和性质研究工作。通过对多孔芳香骨架材料的孔道结构与化学物理性质的定向设计合成，调控其在吸附分离、催化以及能源等性能应用。发表相关 SCI 论文 70 余篇，包括以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、 ACS Cent. Sci.及 Chem. Sci.等高水平期刊发表多篇研究论文，被引用 3300 余次。撰写关于多孔芳香骨架的综述分别发表于 Chem. Rev.和 Acc. Chem. Res.。主持国家自然科学基金青年基金，国家自然科学基金面上项目等省部级科研项目 5 项。担任《Nano Research》青年编委。入选吉林省优秀青年科研创新人才储备库。

朱常岩，2022年东北师范大学获理学博士学位，导师是张珉教授和苏忠民教授。2022年入职东北师范大学化学学院多酸与网格材料教育部重点实验室，跟随朱广山教授团队继续科研。主要研究方向：机器学习助力催化剂材料设计和真实电化学条件下的催化机制探索。以第一作者和通讯作者身份发表SCI论文近30篇，包括Nat. commun. (1篇），Angew. Chem. Int. Ed.（3篇），Appl. Catal. B Environ.（1篇），Adv. Funct. Mater.（2篇），Chem. Sci.，Adv. Sci.， Green Chem.，Nano Res., Sci. China Mater.等。主持项目包括：国自然青年基金项目，博士后特别资助项目，博士后面上项目，吉林省科技厅青年成长人才项目等。

朱广山，教授、博士生导师。现任东北师范大学化学学院院长，多酸与网格材料化学教育部重点实验室主任。国务院学位委员会第八届学科评议组成员、吉林省人大常委。担任《Chemical Synthesis》执行主编，《Science China Materials》、《化学学报》、《中国化学快报》编委，国际期刊 Matter 及 ACS Central Science 的顾问委员会成员。研究工作涉及新型多孔材料的定向合成及其性质研究，开发其在高压储氢、海水提铀、同位素分离和基于多孔膜的气体分离和海水淡化等方面的应用，近年来在多孔芳香骨架 PAF材料方向取得了显著的研究成果。在本领域产生了较强学术影响，获得国内外同行的高度评价。在 Nature Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国内外杂志发表研究论文 520 余篇，被他引 31000 余次，h-index 为 98，出版英文专著2 部，获得国内授权专利 20 余项。主持参与国家自然科学基金（包括重点项目、杰出青年基金、面上项目、国际合作等）、省部级项目等 10 项以及 973 项目子课题 2 项。