双氧水(H2O2)是一种重要的无机化工产品, 在生物、化学、制药和环境等领域应用广泛. 工业上生产H2O2的方法主要为蒽醌法, 这种方法不仅消耗的能量大, 还会带来严重的环境污染. 光合成H2O2主要利用太阳能、水和氧气来制造H2O2, 既能减少污染, 又能降低成本, 因此引起了科学界的广泛研究. 北京理工大学化学与化工学院韩庆教授围绕聚合物氮化碳基材料用于光合成H2O2的研究, 总结近年来聚合物氮化碳材料的合成、改性及其在光合成H2O2领域应用的研究进展, 同时也探讨了聚合物氮化碳基催化剂在光合成H2O2领域面临的挑战和发展前景.
双氧水(H2O2)是一种重要且被广泛应用的环保无害的氧化剂, 它发生氧化反应的副产物只有水. 双氧水还是理想的储能材料, 有着高的能量密度, 相比于氢气, 其更容易存储和运输. 总之, 双氧水作为化工产品广泛应用于有机合成、环保等领域, 在化工生产中扮演着重要的角色.
现在工业上生产双氧水的方法为蒽醌(anthraquinone, AQ)法, 或直接将H2与O2进行混合. 但是前者需要高温高压, 有很高的能量消耗, 并且还会产生污染废物, 而后者有很大的爆炸危险性, 且反应还需要使用贵金属作为助催化剂. 相比之下, 光合成H2O2是在太阳光照射下, 利用光催化剂将水和氧气氧化还原成H2O2. 太阳能取之不尽用之不竭, 并且在光催化过程中也几乎无废物产生, 因此光合成H2O2被认为是非常有前景的绿色合成H2O2途径. 目前, 对于光合成H2O2体系的研究尚处于初步阶段, 开发新型、高效、稳定、廉价的光催化剂是科学家们的研究重点.聚合物氮化碳是一种主要由碳、氮两种元素组成的类石墨结构的二维层状材料, 具有独特的电子结构和光学性质、优异的化学稳定性、结构易于调控、无毒廉价等特点, 因而成为当前光催化领域的研究热点. （图1）近几年, 基于聚合物氮化碳用于光合成H2O2引起了世界范围的广泛关注. 然而氮化碳的光谱响应范围窄, 光生电荷容易发生再结合, 电子传导能力差, 且其在合成过程中存在聚集和黏连, 导致比表面积较低, 这些问题严重制约了氮化碳光催化剂的推广应用. 针对这些问题, 科学家们开展了氮化碳的改性工作来提高其光合成H2O2活性并取得了一些重要进展.
基于此, 北京理工大学化学与化工学院韩庆教授系统总结了聚合物氮化碳的主要合成和改性方法及其在光合成H2O2中的应用. 目前, 虽然基于聚合物氮化碳的研究取得了一些进展, 但是其在光合成H2O2中的研究处于初步研究阶段, 要实现其高效光合成H2O2, 更多深层次的信息或原理还有待探索.首先, 氮化碳光生电荷容易发生再结合, 这极大地影响了光生电荷的有效利用. 因此, 需要发展新的先进技术制备出具有高载流子迁移效率的氮化碳基纳米复合材料以实现高效的光合成H2O2.其次, g-C3N4的结构与合成H2O2速率的关系还不明确. 通过引入功能分子基团和缺陷协同作用策略, 并结合理论计算系统研究材料催化动力学和其活性之间的构效关系, 进而实现光合成H2O2的活性大幅度提升.最后, 氮化碳光催化剂的H2O2分解率较高. 通过减少紫外光的照射或者引入更易反应的氧化半反应来消耗空穴可以有效阻止H2O2被空穴氧化而分解, 进而提高最终H2O2的产量.该文近期发表于《中国科学: 化学》——“庆祝北京理工大学建校暨化学学科创立80周年专刊”。
文章信息：[点击下方链接或“阅读原文”可获取全文] 王浩桢, 韩庆. 基于聚合物氮化碳用于光合成H2O2的研究. 中国科学：化学, 2020. DOI:10.1360/SSC-2020-0093