他，「长江学者」，黑大副校长，发表Nature子刊！光催化新进展！
学术
2024-11-18 08:18
河南
碳氮化合物(g-C3N4)因其负导带能够驱动双电子氧还原反应(O2+2H++2e−→H2O2，0.695 VNHE)，在H2O2光合作用中引起了广泛的关注。然而，以水作为原料的双电子水氧化反应(2H2O+2h+→H2O2+2H+，1.76 VNHE)由于具有较高的正电位而不易实现。另一种可能的途径是以O2为产物的四电子水氧化，随后在ORR中消耗O2。事实上，大多数报道的g-C3N4光催化剂的光生空穴在热力学上不利于O2的演化，这严重限制了H2O2的总产量。根据前人的研究，将B掺杂剂引入到g-C3N4(BCN)中，可以显著调节价带结构，从而改变水的氧化能力。因此，由此产生的BCN具有改善的O2生产性能，使其成为利用O2和H2O光合成H2O2的有希望的候选者。但是，目前BCN的光催化H2O2合成性能仍然受到缓慢的ORR动力学和电子寿命短的阻碍。近日，黑龙江大学井立强、边辑和张紫晴等提出了一个策略，在没有任何牺牲剂的情况下实现直接一步2e−ORR高效生产H2O2。具体而言，研究人员将配位不饱和的FeOOH和CoOx团簇精确地锚定在BCN上得到CoOx-BCN-FeOOH光催化剂，其在可见光照射下提供了较高的H2O2产率(0.34 mmol g-1 h-1)，太阳能-化学能转换效率为0.75%。原位热分析显示，在CoOx-BCN-FeOOH上，ORR的反应效率为34.1%。实验和理论结果证实，该催化剂对H2O2生产具有较好的活性可归因于引入的FeOOH促进了氧活化和改性的CoOx团簇使得电子寿命更长。此外，研究人员还提出了在CoOx-BCN-FeOOH催化剂上生产H2O2的电荷转移和氧化还原反应的合理机理：在光照射下，BCN的光生空穴转移到CoOx团簇上，然后用于加速水氧化产生O2；同时，O2以Pauling型吸附构型适应与配位不饱和FeOOH结合，寿命大大延长的光生电子启动一步2e−ORR，促进H2O2的光合作用。显然，长寿命的光生电子和较好的氧活化的协同作用使得高效产生H2O2。总的来说，该项工作利用双活性中心工程策略来提高单组分催化剂的电子寿命和氧活化以高效率生产H2O2，为后续开发高效的双活性中心催化剂以促进H2O2生产和研究在ORR期间的电子动力学途径提供了参考。Photocatalytic H2O2 production over boron-doped g-C3N4 containing coordinatively unsaturated FeOOH sites and CoOx clusters. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53482-0🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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