太陽能驅(qū)動的雙電子氧還原合成過氧化氫(H2O2)是解決當前環(huán)境挑戰(zhàn)和能源危機的一條經(jīng)濟上可行和環(huán)境上可持續(xù)的途徑。無金屬氮化碳(CN)具有獨特的特性，包括可見光吸收的最佳帶隙、目標反應的良好帶邊位置、環(huán)境友善、熱和化學穩(wěn)定性以及成本效益等而受到人們的關(guān)注。
然而，原始CN也具有固有的缺陷，如可見光吸收不足，快速光生載流體復合，以及缺乏有效的活性位點。這些問題導致了不匹配的帶隙，低電子轉(zhuǎn)移，以及對犧牲劑的依賴，共同導致了不理想的光合成H2O2性能。近日，上海大學王亮、南洋理工大學劉政、雷振東等通過水熱-煅燒串聯(lián)合成策略來設(shè)計CDs10MCN異質(zhì)結(jié)復合材料。其中，碳量子點(CD)在制備納米薄片異質(zhì)結(jié)的過程中起著Janus的作用。同時，CD作為剝離劑擴大了塊狀納米薄片材料的層間距，誘導形成較薄的納米薄片，這有效地增強了CDs10MCN中的n→π*電子躍遷。實驗結(jié)果表明，合成的CDs10MCN顯著提高了光生電子-空穴對的分離效率，增強了氧的吸附，并促進了反應遵循2e?ORR途徑。與n→π*電子躍遷較弱的CN相比，CDs10MCN催化劑的H2O2產(chǎn)量增加10倍，達到1.48 mmol L?1；并且，CDs10MCN在0.6 VRHE的起始電位下，H2O2的摩爾選擇性達到80%，此外，CDs10MCN表現(xiàn)出非凡的穩(wěn)定性，在連續(xù)四個循環(huán)中保持其初始水平的催化效率。KPFM和ULFNMR測量顯示，CDs10MCN的電荷密度和電子轉(zhuǎn)移率較高，且光照對CDs10MCN界面質(zhì)子傳輸?shù)募铀僮饔谩?/span>此外，原位DRIFTS和理論計算表明，CDs10MCN中增強的n→π*激發(fā)降低了材料帶隙、促進了快速電荷遷移，以及優(yōu)化了反應中間體的吸/脫附，進而提高了光催化H2O2的活性和選擇性。綜上，該項研究為設(shè)計具有n→π*電子躍遷特性的光催化劑提供了范例，為實現(xiàn)H2O2的高效和選擇性生成鋪平了道路。Nitrogen-rich carbon dot-mediated n→π* electronic transition in carbon nitride for superior photocatalytic hydrogen peroxide production. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202402650
