刘庆华团队Artificial Photosynthesis: 基于同步辐射的高效光催化产H₂O₂体系研究新进展

过氧化氢（H₂O₂）作为一种环保的氧化剂，广泛应用于有机合成、废水处理以及其他工业和医疗领域。由于其绿色环保的特性，H₂O₂被认为是一种有前景的能源载体。利用O₂和H₂O作为原料，通过光催化反应在阳光驱动下生产H₂O₂，代表了一种温和、可控、且几乎没有二次污染的绿色化学过程。随着对绿色、可持续生产H₂O₂的关注不断增加，深入理解这一能源转化过程，包括从材料设计到动态催化效率的提升机制的全面研究，变得尤为重要。先进的同步辐射X射线吸收光谱（XAFS）技术，作为物质微观结构表征的强大工具，能够对光催化产H₂O₂这一能源转化体系的研究产生有力推动作用。

用于光催化还原O₂产H₂O₂的光催化材料通常包括两个关键组分，如图1所示：产生电子-空穴对的光吸收单元和催化O2还原过程的催化单元。因此，作为典型的光催化反应过程，半导体催化O₂生成H₂O₂包括三个关键步骤：(1)光吸收单元吸收光子产生光生电子和空穴；(2)光生电子和空穴从光吸收单元迁移到催化单元；(3) 催化单元发生O₂还原生成H₂O₂的反应。半导体催化剂的带隙、载流子迁移率和能带能级，分别与光催化中的光吸收、电荷分离和表面氧化还原反应有关，是决定半导体光催化活性的三个关键性质。因此，需要协同调整半导体的这些性质以实现高效的光催化还原O₂产H₂O₂。

图1. 半导体光催化剂上可能的光催化反应途径。

将两种或多种催化剂的优点结合，构建异质结结构，是光催化材料设计中最为常见的策略之一。通常，载流子（电子e^--空穴h⁺）在异质结的不同组分中传输的方式能够显著提升载流子的转移效率，抑制其复合，从而增强异质结光催化剂的氧化还原能力。根据电荷输运机制，光催化剂异质结的结构类型可以分为图2所示的四种。

图2. 光催化生产H₂O₂的异质结类型示意图。

XAS技术作为一种强有力的工具，广泛应用于凝聚态物质中局部结构的研究。X射线吸收具有元素特异性，通过调节X射线的能量，可以单独研究复杂体系中每种元素的局部环境。因此，该技术能够在揭示光催化剂结构和光催化反应动态过程中催化剂结构演变行为的研究中提供可靠的技术支撑。

图3. 原位光催化过程采集示意图和装置图。

X射线吸收谱振荡曲线的质量对数据分析的准确性至关重要，因此需要在光源、采集方式和参数、样品制备等方面尽可能优化数据采集。对于光催化材料结构的静态表征与普通催化剂材料的测量相同，但对于反映过程中结构演变信息的原位实时采集，则需要特殊设计满足测试条件的原位反应装置。图3所示为用于光催化反应过程测试的反应装置原理示意图和装置图。

图4. Ni_SAPs-PuCN材料在光催化2e^- ORR过程中的原位Ni K-edge XAS光谱及结构演变。

如图4所示，利用原位XAFS光谱能够有效揭示光催化合成H₂O₂过程中光催化活性位点的结构演化信息，明确光催化剂具有高活性和选择性的关键因素，从而揭示高效的光催化O₂还原过程机制，为发展新型、可实用的光催化O₂还原产H₂O₂催化剂提供理论和实验指导。

本综述系统地描述了光催化H₂O₂生产领域的最新研究进展。文章总结了最具前景的光催化材料及其改性策略，以提升H₂O₂的生成效率。此外，先进的同步辐射X射线吸收光谱及其在光催化中的应用得到了详细总结。最后，文章对光催化过程中诸如有效的O₂吸附、可见光的高效利用、电子-空穴对的分离与传输效率、以及生成的H₂O₂的快速分解等问题，进行了讨论和总结。

刘庆华课题组隶属于中国科学技术大学国家同步辐射实验室，课题组主要从事同步辐射先进实验方法学建设及其在新能源转换领域应用的研究工作。近年来，课题组基于我国的同步辐射大科学装置，建立并发展了适用于固-液相电催化过程原位探测的同步辐射X射线吸收谱学和红外关联谱学实验技术，并应用于燃料电池和水电解池等先进能源转换系统氧相关反应的动力学过程监测。课题组部分研究成果荣获安徽省自然科学一等奖和四川省自然科学三等奖。课题组至今已培养近20名研究生获得博士或硕士学位，其中有15人次获得博士后创新人才支持计划（2）、国家资助博士后人员计划（1）、研究生国家奖学金（6）、中国科学院院长奖（3）和安徽省优秀毕业生（3）等。

课题组主页：http://lxafs.ustc.edu.cn