過氧化氫(H2O2)是最重要的綠色化學(xué)品之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和環(huán)境消毒。為了克服目前工業(yè)合成方法(即蒽醌氧化法)的高能耗，利用人工光合作用通過氧氣和水在半導(dǎo)體光催化劑表面合成H2O2由于具有環(huán)境友善、低能耗和安全的特點(diǎn)已被廣泛研究。

在光催化H2O2生產(chǎn)過程中，2e?氧還原反應(yīng)(ORR)或水氧化反應(yīng)(WOR)的速率控制步驟取決于光生電荷分離效率。然而，隨機(jī)電荷流引起的快速電荷復(fù)合行為(體復(fù)合(BR)和表面復(fù)合(SR))總是會(huì)降低H2O2光合作用的效率。與需要幾十納秒的SR相比，快速BR通常發(fā)生在皮秒內(nèi)，所以降低BR對(duì)提高光生載流子的分離效率至關(guān)重要。

基于此，暨南大學(xué)朱明山和中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心焦文濤等構(gòu)建了一種新的偶極場驅(qū)動(dòng)的自發(fā)極化過程，即在富氮三唑基氮化碳(C3N5)中利用光生電荷動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生H2O2。為了研究偶極場效應(yīng)在光催化制備H2O2中的作用，研究人員研究了超聲波作用下C3N5和C3N4的H2O2光合作用效率。

結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的氮化碳(C3N4)相比，C3N5在模擬太陽光和超聲作用下的H2O2產(chǎn)率為3809.5 μmol g-1 h-1，選擇性高達(dá)92%，超過了大多數(shù)基于氮化碳或壓電光催化過程的光合作用過程。

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，研究人員提出了偶極場誘導(dǎo)自發(fā)極化促進(jìn)光催化產(chǎn)生H2O2的機(jī)理：首先，由于三氮唑在C3N5中的不對(duì)稱單元，在C3N5平面上形成了一個(gè)自發(fā)的偶極場，在Vis/Us條件下這個(gè)偶極場迫使光生電子和空穴進(jìn)行定向遷移；其次，三唑基團(tuán)中的N原子作為理想的活性位點(diǎn)，在外力作用下，溶液中的氧很容易吸附在三唑單元的N4原子表面上，形成Pauling型(端對(duì)端)結(jié)合；最后，吸附的O2通過間接的2e?轉(zhuǎn)移途徑逐步還原，中間體*O2?和*OOH在三唑N4位點(diǎn)的表面上形成H2O2，而光生空穴被乙醇淬滅，以提供足夠的電子來平衡整個(gè)反應(yīng)。

總的來說，這種利用偶極場控制光生載流體遷移和運(yùn)輸?shù)膭?chuàng)新概念為通過結(jié)構(gòu)工程提高光合作用效率提供了一種新策略。

Dipole Field in Nitrogen-enriched Carbon Nitride with External Forces to Boost the Artificial Photosynthesis of Hydrogen Peroxide. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41522-0