第一作者：薄晓颖、杨蔡杰
通讯作者：寇佳慧、黄亨明
通讯单位：南京工业大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.124854
随着社会的快速发展，能源的过度消耗和随之而来的环境污染问题日益严重，引起了全球研究人员的广泛关注。过氧化氢（H2O2）作为一种重要的绿色氧化剂，在化学合成、环境修复、储能和医疗消毒等领域发挥着不可替代的作用。然而，目前H2O2的工业生产主要依赖于H2O2的工业生产蒽醌工艺，不仅涉及能源密集型氢气纯化，而且存在有机溶剂污染的风险。此外，该工艺需要多次非连续反应，限制了其可持续发展。因此，开发高效、安全、环保的H2O2合成新策略已成为当前研究的焦点。
近日，南京工业大学陆春华教授、寇佳慧教授、黄亨明副教授团队设计并开发了一种基于负载CdS的膜的气-液-固三相界面光催化系统。通过将催化剂固定在滤膜上，结合毫米级喷雾技术，该系统显着提高了O2的传输效率和反应界面面积。值得注意的是，当用于甲基橙污染物降解时，三相界面系统表现出85.8%的降解效率，同时产生约4000 μmol L−1 h−1的H2O2。这项工作不仅证实了三相界面结构的动力学优势，还强调了其在环境修复和可持续化学合成方面的双重功能。
图1. (a)光催化系统设置示意图，(b)能量-物质分布示意图，以及(c)气-液-固三相界面示意图。
如图1所示，三相界面光催化过氧化氢生产装置由三个核心模块组成：（i）光照射系统，（ii）反应室和（iii）雾化组件。光照射系统采用460 nm LED冷光源，与散热单元（包括冷却风扇和散热器）、安装支架和电源开关。该反应腔室包括一个锥形光催化剂膜、一个内部收集器、冷却套和自动旋转台。雾化组件具有一个喷雾瓶，用于均匀输送溶液。在操作过程中，催化剂膜首先被成形为锥形位于内部收集器上方。在激活自动旋转台、LED照射和喷雾系统后，喷雾器将水溶液均匀分散到催化剂表面上。在光照下，光催化H2O2生成。
图2.（a）CdS-NR的XRD图谱，（b）Cd 3d和（c）S 2p轨道的XPS光谱，（d）CdS-NR的EPR光谱，（e）CdS-NR的EIS曲线，（f）CdS NRs 24 h的TEM图像和相应的元素图谱。
为进一步验证目标材料的成功制备，采用XRD、XPS及EPR等多种表征手段开展系统分析（图2）。XRD 测试明确了 CdS NRs的晶体结构与物相纯度，XPS 价带谱精准表征了其表面化学状态及价带电子结构，EPR 测试则直观反映了材料中的缺陷态特征与电子自旋信号。各项测试结果相互印证、高度一致，充分证实了CdS NRs已成功合成。
图3. 能带结构解析。 （a）UV–vis光谱，（b）Tauc曲线，（c）平带电位以及（d）硫化镉纳米棒12小时、24小时和48小时的能带结构示意图。
为深入探究材料的光电性能基础，后续通过紫外 - 可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）结合莫特 - 肖特基（Mott-Schottky）测试，对CdS NRs的能带结构进行了系统评估。结果表明，在水热反应 24 h 条件下合成的 CdS NRs，其带隙宽度经计算约为 2.37 eV，该带隙大小不仅能满足光生载流子的有效分离，还与目标应用场景（如光催化产过氧化氢、有机污染物降解）的能量需求高度匹配，证实其具备较合适的带隙特性。
图4. 光催化性能与机理研究。（a）硫化镉纳米棒系列样品在两相或三相系统中的光催化性能比较，（b）硫化镉纳米棒在浸泡、半浸泡和非浸泡条件下24小时的光催化性能，（c）空白滤纸、含硫化镉纳米棒的两相及三相系统24小时光催化性能，（d）每个循环重复测试10 min，随后用超纯水冲洗并在氮气下干燥以重复使用，（e）三相界面过氧化氢合成与MO降解的光催化性能循环图，（f）自由基清除实验。
为筛选最佳光催化性能催化剂，研究对比了负载12 h、24 h、48h CdS NRs的光催化膜在两相及三相界面系统的性能。结果显示，三相界面系统中所有膜的H2O2生成速率均显著高于两相，其中24 h CdS NRs膜性能表现最优，速率达9292 μmol·L-1·h-1（460 nm处AQE为32.9%），为两相的2倍多。三相界面通过优化暴露提升性能：非浸入锥形排列（完全暴露于空气）效率最佳，半浸入次之，全浸入最低。基底依赖性实验证实三相界面效率最优，10次循环及24 h连续测试表明体系稳定性优异。机制研究显示，e⁻和·O2⁻是主要活性物质，h+可高效降解污染物，且催化剂溶出量极低。
图5.（a）超大液滴、（b）大液滴和（c）小液滴的示意图。（d）超大液滴、（e）大液滴和（f）小液滴的侧视图。(g)超大液滴、(h)大液滴和(i)小液滴的直径统计分布图。
液滴尺寸影响显著：小液滴（直径1.7 mm）因能形成有效三相界面、扩大反应面积，效率为超大液滴（13.2 mm）的2.2倍，印证了界面优化的关键作用。
本研究提出了一种用于过氧化氢（H2O2）的三相界面光催化系统生产。该系统通过采用独特的细雾喷雾技术，将反应溶液分散到负载催化剂的滤膜上实现了高效的过氧化氢（H2O2）生产，在460 nm LED照射下，其表观量子效率为32.9%。三相界面建立了一个气-液-固反应微环境，允许直接接触在O2、H2O和光催化剂之间。这种配置不仅能改善氧气传输，还能扩大反应界面面积显著促进H2O2的产生。这种新型三相界面系统通过解决两个关键瓶颈，克服了传统两相悬浮系统的固有局限性：（i）O2在水溶液中的溶解传质障碍，以及（ii）反应界面面积不足，限制了活性位点的可及性。通过建立高效的气-液-固三相界面，为推进光催化合成过氧化氢（H2O2）及污染物降解提供了新的视角，具有潜力工业应用的可扩展性。
Three-phase interfacial photocatalytic system for hydrogen peroxide synthesis coupled with pollutant degradation
Xiaoying Bo1（薄晓颖）, Caijie Yang1（杨蔡杰）,Qian Deng （邓迁）, Wenye Lu（陆文烨） , Hanxuan Yang（杨瀚轩）, Yikang Fan（范义康）, Bolun Li（李博伦）, Hengming Huang（黄亨明）, Jiahui Kou（寇佳慧） and Chunhua Lu（陆春华）
Journal of Membrane Science 738 (2026) 124854
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.124854
寇佳慧：南京工业大学教授、博士生导师。长期从事绿色氢能材料，太阳能光催化材料，纳米材料的研究。近年来围绕绿色产氢，开展了无机催化剂的设计合成、水相重整产氢以及催化机理等研究。在Chemical Reviews，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，Nano Letters, Nano Energy等国际知名SCI期刊发表相关研究论文70余篇。申请国家发明专利21件，已获授权11件。
黄亨明：南京工业大学副教授、硕士生导师，澳大利亚昆士兰大学和日本国立材料研究所访问学者。研究方向：1）小分子催化转化与清洁能源生产；2）光热催化环境净化与废弃物增值；3）催化材料的理性设计与模拟计算等。主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上资助等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem.、Nano Lett.、Nano Energy、Nano Res.、J. Mater. Sci. Technol.、J. Energy Chem.等国内外高水平SCI期刊上发表研究论文。入选江苏省青年科技人才托举工程资助对象、江苏省科技副总。
声明
