催化学报

催化学报 ›› 2026, Vol. 81: 272-283.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64901-1

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缺陷调控氮化碳负载Au纳米颗粒用于高效压电光催化制备H2O2

田娜(), 袁超凡, 周桐, 于文英(), 王莹珲, 张娜, 张以河, 黄洪伟()   

  1. 中国地质大学(北京)材料科学与工程学院, 矿物材料国家专业实验室, 非金属矿物与固废资源材料化利用北京市重点实验室, 地质碳储与资源低碳利用教育部工程研究中心, 河北省资源低碳利用及新材料重点实验室, 北京 100083
  • 收稿日期:2025-08-08 接受日期:2025-09-28 出版日期:2026-02-18 发布日期:2025-12-26
  • 通讯作者: *电子信箱: tianna65@cugb.edu.cn (田娜),yuwenying36@163.com (于文英),hhw@cugb.edu.cn (黄洪伟).
  • 基金资助:
    雄安新区科技创新特别项目(2023XAGG0068);国家自然科学基金(52372237)

Defect-coordinated Au nanoparticles in carbon nitride for efficient piezo-photocatalytic hydrogen peroxide production

Na Tian(), Chaofan Yuan, Tong Zhou, Wenying Yu(), Yinghui Wang, Na Zhang, Yihe Zhang, Hongwei Huang()   

  1. Engineering Research Center of Ministry of Education for Geological Carbon Storage and Low Carbon Utilization of Resources, Beijing Key Laboratory of Materials Utilization of Nonmetallic Minerals and Solid Wastes, National Laboratory of Mineral Materials, Hebei Key Laboratory of Resource Low-carbon Utilization and New Materials, School of Materials Science and Technology, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
  • Received:2025-08-08 Accepted:2025-09-28 Online:2026-02-18 Published:2025-12-26
  • Contact: *E-mail: tianna65@cugb.edu.cn (N. Tian),yuwenying36@163.com (W. Yu),hhw@cugb.edu.cn (H. Huang).
  • Supported by:
    Science and Technology Innovation Program of Xiongan New Area(2023XAGG0068);National Natural Science Foundation of China(52372237)

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摘要：

过氧化氢(H2O2)作为一种绿色友好的氧化剂和潜在的清洁能源载体, 在工业合成、环境治理以及医学消毒等领域具有广泛应用. 然而, 目前H2O2的工业制备主要依赖于蒽醌氧化法, 该工艺虽已成熟, 但能耗高、工艺复杂且对环境负担较大. 因此, 开发绿色、高效、可持续的H2O2制备方法成为研究热点.

基于光催化的两电子氧还原反应(2e‒ ORR)制备H2O2技术因具有反应条件温和、环境友好等优势, 展现出替代传统工艺的潜力. 但其实际应用受限于光催化剂中载流子分离和传输缓慢与表面活性位点不足等瓶颈, 导致H2O2产率和选择性难以突破. 因此, 如何通过结构与电子调控实现高效的氧分子活化与中间体稳定, 是推动光催化H2O2合成发展的核心科学问题.

针对上述挑战, 本文提出了一种“缺陷-压电”的双重调控策略, 旨在通过在缺陷诱导的Au纳米颗粒电子结构调控与压电极化电场的协同作用下, 有效提升光催化合成H2O2的效率. 具体而言, 通过在氮空位调控的石墨相氮化碳(CNNv)上均匀锚定Au纳米颗粒, 利用氮空位调节Au的局域电子结构, 诱导增加缺电子的Auδ+活性位点的比例, 从而增强Au-O2的相互作用, 为后续2e‒ ORR反应创造有利条件. 同时, 引入压电极化场, 在机械应力作用下产生额外的极化内建电场, 有效促进光生载流子的分离与定向迁移, 使电子能够快速富集至Au活性位点并与吸附的O2发生高效相互作用. 结果表明, 在“缺陷-压电”双重调控策略下, CNNv-Au的H2O2产率由纯g-C3N4的247.0 μmol g‒1 h‒1显著提升至1788.5 μmol g‒1 h‒1, 增强了约7.2倍. 电子顺磁共振和X射线光电子能谱(XPS)结果证实, 氮空位的引入成功诱导了局域极化效应, 增加了缺电子Auδ+位点比例. 原位XPS分析显示, 在光激发下, Au 4f结合能正向偏移0.5 eV, 证明了光电子从Au活性位点向吸附O2分子的电子转移能力增强. 原位漫反射红外傅立叶变换光谱和密度泛函理论计算结果进一步揭示了氮空位调控的Au活性位点在促进电子转移与O2活化中的关键作用. 同时, 压电极化电场有效抑制了光生载流子的复合, 促进了其空间电荷分离, 从而加速了2e‒ ORR反应路径. 实验与理论计算结果表明, 缺陷工程与压电极化电场的协同作用在电子结构调控与界面反应动力学优化方面均发挥了关键作用, 为实现高效、可持续的光催化H2O2合成提供了新思路.

综上, 本研究通过缺陷调控与压电极化电场的双重策略, 实现了对Au活性位点电子结构与界面催化过程的精准调控, 提升了H2O2的光催化产率与选择性. 该工作不仅为氮化碳光催化剂的性能优化提供了新范式, 也为未来基于极化驱动的界面电子结构设计提供了理论与实验依据, 对绿色化学品合成及清洁能源转化领域具有重要借鉴意义.

关键词: 双氧水制备, 氮化碳, N空位, Au纳米颗粒, 压电光催化

Abstract:

Hydrogen peroxide (H2O2), a versatile green oxidant and energy carrier, faces production challenges due to the energy-intensive anthraquinone process. Photocatalytic H2O2 synthesis via the two-electron oxygen reduction reaction (2e- ORR) offers a sustainable alternative, but its efficiency is limited by sluggish charge transfer and insufficient active sites. Here, we design a dual-modulation strategy that combines defect-induced electronic tuning with piezoelectric polarization to enhance surface catalytic processes. Specifically, anchoring Au nanoparticles on N-deficient graphitic carbon nitride (CNNv-Au) allows N vacancies to modulate the electronic structure of the Au nanoparticles, increasing the proportion of electron-deficient Auδ+ sites and enhancing Au-O2 interactions, while the piezoelectric field simultaneously facilitates charge separation and directs electrons toward the adsorbed O2 molecules. In-situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) under simulated catalytic conditions revealed a 0.5 eV Au 4f shift toward higher binding energy, confirming enhanced electron transfer from Auδ+ sites to adsorbed O2 under light irradiation. Synergistic effects of these modifications elevate the H2O2 production rate from 247.0 to 1788.5 μmol g-1 h-1, a 7.2-fold enhancement. Combined XPS, electron paramagnetic resonance, density functional theory, and in-situ diffuse reflectance infrared Fourier transformed spectroscopy analyses confirm that N vacancies induce local polarization of Au sites, optimizing O2 activation and intermediate stabilization. This work demonstrates a dual modulation strategy, defect-induced electronic tuning and piezoelectric polarization, to enhance surface catalytic processes, providing a blueprint for efficient photocatalytic H2O2 generation.

Key words: H2O2 production, Carbon nitride, N vacancy, Au nanoparticles, Piezo-photocatalysis