苏宝连/陈丽华团队Matter: 用于高效可持续双氧水生产的新兴半导体及金属-有机复合物光催化剂

第一作者：丁杨

通讯作者：陈丽华*，苏宝连*

单位：比利时那慕尔大学，武汉理工大学, 印度加尔各答大学，比利时鲁汶大学, 英国剑桥大学

双氧水作为一种具有广泛前景的能源载体和环境友好氧化剂，在工业和环境领域发挥着极其重要的作用。但是目前的合成方法存在效率低污染严重的挑战。寻找一条高效、低成本的双氧水制备路线具有重要意义。近年来，光催化双氧水合成路线以其绿色、简便和可持续的工艺引起了人们的极大兴趣。

基于此，比利时那慕尔大学苏宝连院士团队同武汉理工大学陈丽华教授课题组合作在国际材料顶级期刊Matter上发表题为“Emerging semiconductors and metal-organic-compounds-related photocatalysts for sustainable hydrogen peroxide production” 的全方位综述文章。

本文主要综述了光催化双氧水制备的最新进展。首先介绍了三类不同光催化双氧水生产路线的优势和缺点，重点展示了六种用于双氧水制备的最先进最新颖光催化剂(图1)，并深入阐述每种材料在大规模工业过氧化氢合成中的前景和挑战。我们期望这篇全方位综述能够提供和激发设计和制备高活性高稳定性低价光催化剂的新概念和想法，促进光催化双氧水合成的工业应用。

图1.六类主要的用于双氧水生产光催化剂以及相应的催化剂改性策略

光催化双氧水生产路线可以分为以下三类,

1.直接双电子氧还原路线,

2. 间接式单电子氧还原路线,

3. “双通道”合成路线。对于双电子氧还原 （图2A），半导体导带上的电子迁移到价带以参与O₂还原生成H₂O₂，而价带上的空穴氧化乙醇生成醛和质子。

 最终，O₂直接与质子和两个电子反应生成H₂O₂。

对于间接式单电子还原（图2B），O₂首先通过单电子还原产生超氧自由基，从而进一步与质子结合最终形成双氧水。对于两通道路线 （图2C），在一个半导体的导带和另一个半导体的价带同时发生氧化还原反应，最终达到了双通道制备双氧水。

图2.三种不同的光催化双氧水生产机理 (A)直接双电子氧还原路线,(B) 间接式的单电子氧还原路线,(C)“双通道”合成路线

要点二：一系列的的催化剂改性策略用于高效光催化双氧水制备

本综述论文全面深入的讨论了光催化剂的表面改性，离子掺杂,异质结构建以及缺陷工程用于提高光催化双氧水生产效率和稳定性。例如，对于离子掺杂策略,将掺杂离子(例如 碳，硫和铜)引入半导体催化剂(C₃N₄)的晶格可以有效的调节其能带结构，促进光激发的空穴-电子对的分离以及抑制副反应的发生。因此提高了光催化双氧水生产的效率以及选择性 (图3)。

要点三：光催化生产的双氧水的原位应用

图4.光催化制备的双氧水用于原位杀菌 (A)TiO₂/rGO/WO₃ 异质结光催化剂的制备以及杀菌机理。不同光照时间下催化剂溶液中大肠杆菌菌落的图片(B)以及大肠杆菌细胞失活率(C)。未经处理的大肠杆菌细胞(D)和经光催化剂溶液处理的大肠杆菌细胞(E)的TEM照片。

光催化制备的双氧水原位应用受到了越来越多的关注，比如原位杀菌和有机合成。如图4A所示，一种新型的TiO₂/rGO/WO₃ 异质结光催化剂用于原位光催化双氧水杀菌。这种Z型的异质结催化剂可以有效地促进载流子分离，大大的提高光催化双氧水形成的效率以及选择性。这种催化剂展现了巨大的大肠杆菌灭活潜力。如图4B,C所示，随着光照时间增加，大肠杆菌的数量明显减少。透射电镜照片表明催化形成的双氧水会破坏大肠杆菌的细胞膜。因此实现了原位光催化杀菌的效果 (图4D,E)。

要点四：前瞻

尽管光催化路线用于双氧水合成取得了重要进展，光催化工业生产双氧水尚不成熟。首先,光催化途径制备双氧水产率仍难达到工业应用的实际需求。此外，一些副反应的存在降低了双氧水形成的选择性。更重要的是，如何高效低廉大规模制备高性能的光催化材料仍然需要大量的研究和探索。解决上述挑战，光催化双氧水用于商业化合成值得期待。

Emerging semiconductors and metal-organic-compounds-related photocatalysts for sustainable hydrogen peroxide production

丁杨 2018年获上海师范大学硕士学位。目前是比利时那慕尔大学无机材料化学实验室（CMI）的博士生，导师是苏宝连院士。主要主要研究方向为多孔半导体材料制备、光催化污染物处理和可持续能源再生。

陈丽华教授 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员、博士生导师。从事等级孔功能材料及其能源环境催化应用基础研究，在Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Matter、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater、Natl. Sci. Rev.等国际期刊发表学术论文80余篇，授权发明专利50余项。获第一届“中国分子筛新秀奖”（2017）、湖北省杰出青年基金资助（2018）、湖北省自然科学一等奖（2019）、湖北省楚天学者特聘教授称号（2021）。

主持国家自然科学基金重点项目、面上项目及青年基金，教育部蓝火计划专项、湖北省杰出青年基金、湖北省技术创新重大专项等20余项项目，担任湖北省化学化工学会催化专业委员会委员、石化联合会催化联盟青年工作委员会委员，Wiley杂志《Interdisciplinary Materials》期刊学术编辑、《Chemical Synthesis》及《石油学报》（石油化工）期刊青年编委。

苏宝连教授 欧洲科学院院士，比利时皇家科学院院士。比利时那慕尔大学终身教授，那慕尔大学无机材料化学实验室创建主任。武汉理工大学战略科学家，材料复合新技术国家重点实验室副主任。英国剑桥大学Clare Hall Life member。

2020年任法国大学科学院（Academic Institute of France）院士增选委员会主席。2021年当选世界介观结构材料协会主席。1993年获中石化技术发明奖一等奖，1994年获中国优秀专利奖，2007年获比利时皇家科学院Adolphe Wetrems奖，2011年获国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料与合成杰出贡献奖，2012年作为带头人获中国侨联“创新团队”贡献奖，2012年获比利时联邦Francqui Chaire奖，2019年获中华人民共和国政府友谊奖，2019年获湖北省自然科学奖一等奖，2020年获国际胶体与界面科学Darsh Wasan杰出贡献奖，2021年获世界介观结构材料协会突出贡献奖。

他的研究领域为“等级孔材料设计理论及在能源转化，催化，光催化，光合作用，环保，生命复合材料及人造器官等领域的应用”。现担任Chemical Synthesis主编，Interdisciplinary Materials副主编，National Science Review编委及材料领域评审组组长。

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