湖南大学ACS Catal：氮化碳光催化制备双氧水的机理

纳米

2021-09-01

H₂O₂作为一种液态原料广泛应用于水的净化，抗菌剂，纸浆漂白剂，燃料电池等领域，目前制备H₂O₂的主要方法通过蒽醌路线，该过程面临着高消耗、产生高毒性副产物等缺点。相比而言，光催化技术为合成H₂O₂提供了一种更具有吸引力的路线和方法，可能在价格上更加合理，环境友好。

目前人们广泛发现光生空穴能够进行光催化制备H₂O₂反应。光催化制备H₂O₂的过程需要加入异丙醇等试剂作为电子供体，降低制备H₂O₂反应活化能的能垒。但是光催化反应机理仍未得到很好理解，目前的机理中存在缺陷和不足。

有鉴于此，湖南大学范长征、汤琳等报道含有N空穴的氮化碳催化剂在光催化制备H₂O₂反应的机理，基于实验结果分析、理论计算提出了制备H₂O₂的多种反应机理。N空穴位点能够作为光催化反应位点，进行氧化反应、还原反应、电荷复合中心，分别生成h⁺，·O₂^-_，¹O₂，并且在制备H₂O₂的过程中产生5种不同反应机理，包括自由基过程、非自由基过程。吸附在催化剂表面的¹O₂能够在H₂O分子辅助作用实现直接氧化异丙醇，该过程具有最低的生成H₂O₂反应能垒。

本文要点：

（1）

作者通过实验、理论计算结合，系统研究了生成H₂O₂的反应机理和路径，通过不同激发、不同催化活性物种、反应通过自由基或者非自由基路径进行，研究了多达八种可能的催化反应路径，验证其中五种可能性较高的反应路径。

基于多种可能的氧化反应活性物种，给出了多种新型生成H₂O₂的反应机理，展示了其中¹O₂和在反应机理中起到的关键作用。¹O₂能够直接活化异丙醇在含有氮缺陷位点的氮化碳或者在液相中活化异丙醇生成H₂O₂，而且该反应过程的反应能垒最低。

（2）

实现了深入理解制备H₂O₂的反应机理，拓展了目前已有的反应机理。基于该机理有助于设计高性能催化剂（掺杂、缺陷等方法），用于调控反应能量、电荷复合等现象，促进在催化剂中产生¹O₂，促进更高的制备H₂O₂性能。

参考文献

Jun Luo, Yani Liu, Changzheng Fan*, Lin Tang*, Shuaijun Yang, Milan Liu, Mier Wang, Chengyang Feng, Xilian Ouyang, Lingling Wang, Liang Xu, Jiajia Wang, and Ming Yan, Direct Attack and Indirect Transfer Mechanisms Dominated by Reactive Oxygen Species for Photocatalytic H₂O₂ Production on g-C₃N₄ Possessing Nitrogen Vacancies, ACS Catal. 2021, 11, 11440–11450

DOI: 10.1021/acscatal.1c03103

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c03103