通过选取合适的单体分子，合成了由苯环与七嗪环组成的D-A型氮化碳光催化材料。苯环的独特结构显著增强了D-A型氮化碳的电子离域效应，促进了光生电子和空穴的有效分离和定向迁移，有利于氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）的协同过程，最终实现了D-A型氮化碳在纯水条件下H2O2的高效生产。DFT计算结果表明，七嗪单元是ORR的首选活性位点，而苯环为WOR的反应活性位点。
H2O2是一种重要化学品，广泛应用于化学合成、漂白剂、环境修复和能源载体等各个行业。目前，H2O2的生产主要依赖于蒽醌（AQ）法，但该方法存在能源密集和环境不友好等问题。光催化法合成H2O2被视为AQ法的有效替代方法，在理想情况下，只需要消耗氧气、水和阳光。然而，在大多数反应体系中，快速的电子-空穴对重组往往会导致H2O2合成时需要添加额外的有机牺牲剂，限制了其应用。
氮化碳分子中富含丰富的2e- ORR反应活性位点--七嗪单元，通过选取合适的单体分子，将电子供体苯环引入到氮化碳的分子结构中，构筑分子内的D-A结构，引导光生电子和空穴发生定向迁移，同时发生2e- ORR和2e- WOR，从而在纯水中高效生产H2O2。同时，煅烧的气氛以及温度可以有效调控供体与受体的比例，进一步影响H2O2的生产速率。
图1 (a) D-A型氮化碳的合成流程, (b-g) SEM和TEM图。
本文采用超分子自组装与煅烧相结合的方法，成功地合成了碎片化的纳米D-A型氮化碳聚合物。D-A体系中的电子离域效应促进了电子在给体和受体之间的流动和分布，提高了分子的整体稳定性和反应性。此外，研究表明，煅烧气氛和温度的变化可以有效地调节合成的D-A型氮化碳的骨架结构，从而调节电子和电子结构带结构，并影响环境条件下H2O2的合成速率。DFT计算和实验结果均证实了D-A型氮化碳在纯水条件下具有优异稳定的光催化产H2O2性能。该研究利用氮化碳的结构特性将其用于高性能光催化能量转换系统。
许晖教授，江苏大学环境与安全工程学院院长，博士生导师。入选国家级青年人才、江苏省杰青。主要从事碳循环及其资源化利用领域的研究工作，主持国家重点研发计划、国自然面上等国家级、省部级项目10余项。现任中国能源学会能源与环境专业委员会委员，«催化学报»、«物理化学学报»青年编委。在Nature Energy, AIChE J., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Eng. Sci.等国际期刊发表SCI论文200余篇，引用28000余次，H指数90。申请国内外专利80余件，授权中国发明专利20件。获中国百篇最具影响国际学术论文奖，侯德榜化工科学技术青年奖、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖等。2019-2023年连续入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高被引科学家；指导研究生荣获第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖和江苏省赛区特等奖。
莫曌，江苏大学，副教授/硕士生导师。主要致力于能源/环境光催化材料的开发与利用。曾在新加坡南洋理工大学进行为期一年的博士联合培养。主持国家自然科学基金（青年项目）、企业横向等十余项。迄今发表SCI论文80余篇，其中以第一或通讯作者在Small和Applied Catalysis B: Environmental等重要期刊发表SCI论文28篇。先后入选ESI高被引论文9篇（第一作者4篇），ESI热点论文1篇（第一作者），入选封面论文1篇。论文共计被引4295次，H因子33。申请专利20件，授权专利10件（第一发明人4件），授权PCT专利1件，成果转化1项。2021年和2024年获批江苏省高层次人才科技副总，入选斯坦福大学发布的“2022、2023年全球前2%顶尖科学家”。2023年获批江苏省能源研究会科学技术奖二等奖。
课题组链接：https://www.xuhuilab.com/
声明
“邃瞳科学云”直播服务
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
