中科大/重大Nature子刊: 碘氧化还原耦合电场效应

基于双电子氧还原(2e−ORR)反应的光催化已经成为制备过氧化氢(H2O2)的一种有前途的方法。该工艺仅依靠阳光作为能源，反应条件温和，操作简单可控，无二次污染。为了寻求高效的H2O2生产，人们开发了大量有效的光催化剂。由三嗪或3-烷基三嗪单元组成的石墨氮化碳(g-C3N4，CN)是一种很有前途的光催化剂，其具有高稳定性、吸引人的电子结构，并且可以很容易地在结构上优化。然而，大块CN具有高电荷载流子复合效率和低2e−ORR选择性的缺点，使用基于CN的光催化实现高效H2O2生产的主要挑战之一是光生电子经历反向重组的趋势，限制了它们在光催化反应中的表面参与。因此，克服这一挑战对于提高H2O2的产量和激活CN基光催化的全部潜力是至关重要的。

近日，中国科学技术大学俞汉青和重庆大学陈飞等通过预光氧化在g-C3N4框架内插入多种碘介质(I−/I3−)，开发了一种具有双增强机制的CN基光催化剂，其中包括内部氧化还原介质和外部电场，这种巧妙的设计有效地促进了光生载流子的解离。

结果表明，最佳的CN-KI3-KI-MV在可见光照射下，H2O2产率高达46.40 mmol g−1 h−1，在400 nm处的表观量子产率(AQY)为27.56%。此外，该光催化系统在光催化污染物降解、杀菌、有机废液回用和连续流动H2O2生产等领域成功应用，证明了该系统的多功能性。当CN-KI3-KI-MV直接暴露在自然光下时，所构建系统中产生H2O2并实现对RhB的高效降解，突出了其潜在的应用前景。

结合各种原位、半原位分析和理论计算，深入了解了O2•O2−H2O2途径中涉及的潜在机制。具体而言，首先，多种碘(I−/I3−)介质减轻了电荷转移的限制，加快了光生载流子的传输速率；其次，阳离子MV与阴离子CN的结合产生了外部电场，建立了额外的电荷传输途径并有效地抑制了电荷重组。得益于这些协同效应的双重增强机制，显著提高了H2O2的产量。

综上，这项研究所提出的预光氧化处理和双电场的概念可以推广到其他光催化系统的设计，为可持续和高效的化学合成铺平了道路。

Circumventing bottlenecks in H2O2 photosynthesis over carbon nitride with iodine redox chemistry and electric field effects. Nature Communications, 2024.