摘要：在可持续能源领域，过氧化氢（H2O2）因其高能量密度（60 wt% H2O2能量密度达3.0 MJ L-1，优于35 MPa压缩氢气的2.8 MJ L-1）而备受关注。在自然条件下（室温、自然水体、光强100 mW•cm-2、空气），光催化合成H2O2是一种绿
在可持续能源领域，过氧化氢（H2O2）因其高能量密度（60 wt% H2O2能量密度达3.0 MJ L-1，优于35 MPa压缩氢气的2.8 MJ L-1）而备受关注。在自然条件下（室温、自然水体、光强100 mW•cm-2、空气），光催化合成H2O2是一种绿色可持续的方法。然而，目前的光催化合成H2O2系统大多依赖氧还原反应（ORR），而水氧化反应（WOR）生成H2O2的效率较低。鉴于自然水体中氧浓度通常较低（
两电子水氧化反应（2e- WOR）因能直接生成H2O2且具备100%的原子利用效率，展现出明显优势。然而与四电子水氧化反应（4e- WOR）相比，2e- WOR需要更高的氧化电位（1.76 V），这意味着推动2e- WOR所需的能量输入更高，因此提高光催化剂的氧化能力是实现2e- WOR的关键。
中山大学欧阳钢锋/叶宇昕团队提出了通过调控电子跃迁轨道促进两电子水氧化反应的策略。他们设计并构建了以芘为电子给体、三嗪为电子受体的电子给受体（D-A）共轭聚合物，通过优化电子受体在电子给体2,7位的连接位置，提高催化剂的氧化能力，显著提高催化剂的性能。实验结果表明，该光催化剂在水氧化反应中的效率达到了2560 μmol•g-1•h-1，对应的太阳能转化为化学能的效率（SCC）高达0.94%（图1）。
图1. 芘基聚合物的结构和光催化性能
研究发现，通过对电子给体的取代位置进行调控，主要激发态从 S1 转变为S2，促进电子从较低的HOMO-1轨道跃迁。这一结构调控显著增强了光催化剂的氧化能力，使其能够高效驱动2e- WOR合成H2O2（图2）。该策略不仅提升了光催化剂的氧化能力，使其能够高效驱动2e- WOR合成H2O2，还为其在自然环境中的应用提供了强有力的支持。
图2. PBCPs性能差异的内在机制
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者为中山大学博士研究生闫慧杰，通讯作者为中山大学欧阳钢锋教授和叶宇昕教授。
Enhancing Solar-to-Hydrogen Peroxide Conversion Efficiency by Promoting the Two-Electron Water Oxidation Pathway via Modulating the Main Electron Transition Orbital
Huijie Yan, Yuyan Huang, Minhui Shen, Jianqiao Xu, Yu-Xin Ye, Gangfeng Ouyang
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202425054
作者介绍
欧阳钢锋，中山大学二级教授、研究生院院长、化学工程与技术学院院长，国家杰出青年科学基金获得者，英国皇家化学会会士，中组部国家“万人计划”入选者，科技部中青年科技创新领军人才，广东省“珠江学者”特聘教授，中国分析测试协会高校分析测试分会副主任委员，广东省质谱学会理事长，广东省分析测试协会副理事长。担任国际期刊Trends Anal. Chem.、Microchem. J.、Advances in Sample Preparation副主编，《环境化学》、《环境科学》、《分析化学》等杂志编委。主要从事环境分析化学、环境污染控制等方面的工作，主持包括国家杰出青年科学基金、国家科研仪器研制重大专项、国家基金重点项目等在内的多个国家级、省部级项目。在国际期刊发表SCI论文450余篇，包括Chem. Rev. (1)、Chem. Soc. Rev.(1)、PNAS (6)、JACS (7)、Angew. Chem. Int. Ed. (12)、Chem (1)、Nat. Proto. (1)、Sci. Adv. (1)、Nat. Commun. (7)、Adv. Funct. Mater. (4)、Adv. Sci. (6)、Anal. Chem. (26)、Environ. Sci. Technol. (16)等化学、环境领域顶级期刊发文，ESI高被引论文12篇，热点论文1篇，论文总引超15000余次，H因子65，入选全球前2%顶尖科学家榜单，爱思唯尔环境科学领域“中国高被引学者”榜单，入选“科学中国人”2017年度人物。主编中、英文专著各1部，参编英文专著3部。获得2023年广东省自然科学奖二等奖（第一完成人）、2022 年中国分析测试协会科学技术奖特等奖（第一完成人）。
叶宇昕，教授，国家优秀青年科学基金获得者，中山大学逸仙学者。主要从事新型有机光催化剂的构建、光物理和化学过程的表征及调控；过氧化氢的光催化合成及应用；有机污染物的光催化降解。目前以一作或通讯在PNAS (3篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (2篇), Adv. Mater. (2篇), Nat. Commun. (1篇)等期刊发表高水平论文多篇，授权国家发明专利1项。
来源：X一MOL资讯