​朱明山/焦文涛Nature子刊：富氮C3N5中偶极场诱导自发极化，显著增强人工光合作用生产H2O2

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​朱明山/焦文涛Nature子刊：富氮C3N5中偶极场诱导自发极化，显著增强人工光合作用生产H2O2
过氧化氢(H2O2)是最重要的绿色化学品之一，广泛应用于工业和环境消毒。为了克服目前工业合成方法(即蒽醌氧化法)的高能耗，利用人工光合作用通过氧气和水在半导体光催化剂表面合成H2O2由于具有环境友善、低能耗和安全的特点已被广泛研究。
在光催化H2O2生产过程中，2e−氧还原反应(ORR)或水氧化反应(WOR)的速率控制步骤取决于光生电荷分离效率。然而，随机电荷流引起的快速电荷复合行为(体复合(BR)和表面复合(SR))总是会降低H2O2光合作用的效率。与需要几十纳秒的SR相比，快速BR通常发生在皮秒内，所以降低BR对提高光生载流子的分离效率至关重要。
​朱明山/焦文涛Nature子刊：富氮C3N5中偶极场诱导自发极化，显著增强人工光合作用生产H2O2
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基于此，暨南大学朱明山和中国科学院生态环境研究中心焦文涛等构建了一种新的偶极场驱动的自发极化过程，即在富氮三唑基氮化碳(C3N5)中利用光生电荷动力学产生H2O2。为了研究偶极场效应在光催化制备H2O2中的作用，研究人员研究了超声波作用下C3N5和C3N4的H2O2光合作用效率。
结果表明，与传统的氮化碳(C3N4)相比，C3N5在模拟太阳光和超声作用下的H2O2产率为3809.5 μmol g-1 h-1，选择性高达92%，超过了大多数基于氮化碳或压电光催化过程的光合作用过程。
​朱明山/焦文涛Nature子刊：富氮C3N5中偶极场诱导自发极化，显著增强人工光合作用生产H2O2
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基于实验结果和理论计算，研究人员提出了偶极场诱导自发极化促进光催化产生H2O2的机理：首先，由于三氮唑在C3N5中的不对称单元，在C3N5平面上形成了一个自发的偶极场，在Vis/Us条件下这个偶极场迫使光生电子和空穴进行定向迁移；其次，三唑基团中的N原子作为理想的活性位点，在外力作用下，溶液中的氧很容易吸附在三唑单元的N4原子表面上，形成Pauling型(端对端)结合；最后，吸附的O2通过间接的2e−转移途径逐步还原，中间体*O2−和*OOH在三唑N4位点的表面上形成H2O2，而光生空穴被乙醇淬灭，以提供足够的电子来平衡整个反应。
总的来说，这种利用偶极场控制光生载流体迁移和运输的创新概念为通过结构工程提高光合作用效率提供了一种新策略。
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

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/01/76f19f592c/

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