在利用太阳能进行人工光合作用以合成高附加值化学品的研究中，如何精准控制反应路径，获得高纯度的目标产物，始终是该领域的核心挑战。以光催化合成过氧化氢（H2O2）为例，其过程中极具竞争性的析氢副反应（HER）严重制约了目标反应（2e⁻-ORR）的效率与选择性，成为技术走向应用的关键瓶颈。
近日，复旦大学环境科学与工程系的张立武教授团队在该领域取得重要突破。他们提出并证实了一种全新的选择性调控策略：利用水微滴气-液界面天然存在的强电场作为“选择性开关”，成功将一种原本以产氢为主的硫化物光催化剂，转变为专一、高效的H2O2合成体系，实现了产物选择性的根本性逆转和催化活性的数量级提升。
光催化选择性的“微环境”解决方案
面对光催化选择性的难题，传统策略多聚焦于对催化剂本身进行复杂的结构设计与改性。而该研究另辟蹊径，将目光从催化剂转向其所处的反应微环境，并取得了颠覆性的成果：
1. 反应路径的根本性逆转：在传统的体相溶液中，ZnIn2S4基催化剂主要催化析氢反应。然而，当反应体系从宏观溶液转变为微液滴环境时，析氢副反应被完全抑制，体系展现出近乎100%的H2O2选择性。
2. 催化活性的数量级提升：与体相反应相比，微滴光催化体系中的H2O2生成速率提升了约两个数量级。
3. 界面电场的关键作用被证实：通过微区拉曼光谱对探针分子的斯塔克效应（Stark effect）进行分析，实验直接证实了水微滴界面存在强电场。此外，H2O2产率与微滴的比表面积（S/V）呈现线性关系，表明该催化过程是由界面主导的。
4. 揭示界面电场的双重调控机制：通过精密的谱学表征与理论计算，研究证实了微液滴界面的强电场是实现选择性调控的关键。其机制在于：
◆ 增强电荷分离：界面电场能有效抑制光生载流子的复合，提高量子效率。
◆ 重塑反应能垒：电场显著降低了H2O2生成路径的能垒，同时极大地提升了析氢副反应的能垒，从而在动力学上实现了对反应路径的精准“筛选”。
图2：微液滴界面强电场调控光催化反应能垒：促进2e⁻-ORR，抑制HER。(a) 体相溶液与(b)气液界面处光催化HER与2e⁻-ORR的反应能垒；(c) 不同反应环境下光催化HER与2e⁻-ORR关键反应的自由能变化；N2与O2气氛中，(d和e)三种ZnIn2S4基光催化剂悬浮液不同区域处光生电子的NTAS光谱；(f) 微滴中高效选择性H2O2光合成示意图。
源自大气与界面化学的多年积累
这项针对人工光合作用难题的精巧解决方案，其思想根源于该团队在微液滴界面化学与大气化学领域的长期积累。
大气中广泛存在的云、雾、霾等气溶胶颗粒，其核心便是无数的微液滴。张立武教授团队长期致力于揭示这些微观界面上独特的物理化学性质及其对化学反应的深刻影响。在前期工作中，他们已取得系列创新成果：
◆ 率先实现了对微液滴界面pH梯度的可视化成像（PNAS, 2023）。
◆ 系统阐明了界面环境对光敏化过程（J. Am. Chem. Soc., 2024）及OH自由基生成（J. Am. Chem. Soc., 2025）等大气化学关键路径的调控机制。
◆ 尤为重要的是，团队已证实微液滴界面能够显著促进电荷分离（Sci. Adv., 2025; Angew. Chem. Int. Ed., 2023），并发现界面固有的强电场能有效加速大气化学反应（Chem, 2024）。
基于这些发现，团队提出了一个更深层次的科学问题：既然界面电场能够‘加速’反应，那么它是否还能‘选择’反应路径，从而控制产物的选择性？
本项研究工作正是对这一核心科学问题的完美解答。团队巧妙地将从大气化学基础研究中获得的物理化学原理，应用于解决人工光合作用这一应用领域的关键技术瓶颈，成功证实了界面电场作为“选择性开关”的普适性潜力。
该研究不仅为高效、绿色地合成H2O2提供了全新的技术范式，更重要的是，它揭示了通过“微环境工程”调控化学反应选择性的普适性原理。这一发现将基础的大气界面化学研究与前沿的能源催化应用紧密联系起来，为解决其他面临选择性挑战的重大化学转化过程（如CO2还原、N2固定等）提供了极具价值的理论指导和创新思路。
论文第一作者为李克俭博士(现美国密歇根大学博士后)和博士生尤文博，张立武教授为论文通讯作者。研究得到了国家自然科学基金和上海市自然科学基金的资助。
Title: Strong Electric Fields on Water Microdroplets Enable Near-Unity Selectivity in H2O2 Photosynthesis
Authors: Kejian Li,# Wenbo You,# Yucheng Zhu, Wei Wang, et al.
Corresponding Author: Liwu Zhang (zhanglw@fudan.edu.cn)
Journal: Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.5c06077
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