催化学报 ›› 2026, Vol. 91: 241-251.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65203-5

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连续单电子氧还原增强的S型SbVO4/PCN异质结在环境条件下高效人工光合成双氧水

王壮壮a, 李源a, 程强a, 王小田a, 刘彬b,c, 张高科a,*()   

  1. a 武汉理工大学资源与环境工程学院, 湖北武汉 430070
    b 香港城市大学材料科学与工程系, 香港 999077
    c 香港城市大学化学系及超金刚石与先进薄膜研究中心, 香港 999077
  • 收稿日期:2025-12-18 接受日期:2026-02-04 出版日期:2026-12-18 发布日期:2026-10-13
  • 通讯作者: *电子信箱: gkzhang@whut.edu.cn (张高科).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22176151);国家自然科学基金(92163125);国家自然科学基金(22361132537);香港城市大学科研启动基金(9020003);创新科技署研究人才库-全球科学、技术、工程和数学教授计划(9446006)

Boosting sequential single-electron O2 reduction reaction on S-scheme SbVO4/PCN heterojunction for efficient artificial photosynthesis of H2O2 under ambient condition

Zhuangzhuang Wanga, Yuan Lia, Qiang Chenga, Xiaotian Wanga, Bin Liub,c, Gaoke Zhanga,*()   

  1. a School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China
    b Department of Materials Science and Engineering, City University of Hong Kong, Kowloon, Hongkong SAR 999077, China
    c Department of Chemistry & Center of Super-Diamond and Advanced Films (COSDAF), City University of Hong Kong, Kowloon, Hongkong SAR 999077, China
  • Received:2025-12-18 Accepted:2026-02-04 Online:2026-12-18 Published:2026-10-13
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22176151);National Natural Science Foundation of China(92163125);National Natural Science Foundation of China(22361132537);City University of Hong Kong Startup fund(9020003);ITF-RTH-Global Stem Professorship(9446006)

摘要:

过氧化氢(H2O2)是应用极为广泛的大宗基础化工产品. 当前工业主流的蒽醌法生产H2O2存在能耗高、工艺流程复杂以及伴生有毒副产物等弊端, 严重制约了过氧化氢产业的绿色可持续发展. 基于光催化反应技术的人工光合成H2O2, 被视作极具前景的环境友好型替代技术. 在诸多光催化反应路径中, 分步单电子氧还原反应(SSORR)凭借较低的热力学势垒, 成为人工光合成H2O2的重要研究方向. 然而, 该反应过程普遍受限于氧气补给不足, *O2向*OOH中间体转化效率低以及光生载流子复合过快等动力学瓶颈, 致使H2O2生成速率偏低. 因此, 构建增强光生载流子分离, 促进氧分子活化, 且能原位供给反应物的光催化体系, 实现H2O2的高效合成, 对推动人工光合成H2O2技术的发展具有重要的科学意义.
针对光催化合成H2O2过程中存在的诸多关键科学问题, 本研究通过简便的水热原位生长策略, 将SbVO4纳米颗粒均匀负载于PCN(聚合氮化碳)表面, 制备了一种界面结合紧密的S型SbVO4/PCN复合异质结光催化剂, 旨在纯水体系和常温常压条件下实现无牺牲剂的人工光合成H2O2. 光催化性能测试表明, 最优样品10-SbVO4/PCN在可见光(λ > 420 nm)照射下, H2O2生成速率高达94.7 μmol·g-1·h-1, 为纯PCN样品的41倍, 且在长时间反应过程中展现出优异的结构稳定性与催化性能稳定性. 更重要的是, 该体系在365和420 nm单色光光照条件下, 太阳能-化学能转换效率分别可达0.38%和0.34%, 表观量子效率分别为4.1%和3.5%. 原位漫反射红外光谱检测结果表明, 人工光合成H2O2反应过程中存在*O2-和*OOH等关键中间体, 证实了该反应中H2O2的生成遵循SSORR反应路径, 即O2 + e- → ·O2-, O2 + H+ + e- → ·OOH, OOH + H+ + e- → H2O2的分步反应路径, 而非直接两电子氧还原过程. 光催化机理研究表明, SbVO4与PCN之间的功函数差异诱导形成内建电场, 在光照条件下, SbVO4导带中的光生电子会定向转移至PCN价带, 与PCN价带中的光生空穴复合, 保留了PCN导带中具有高还原电位的电子用于SSORR反应, 以及SbVO4价带中具有高氧化电位的空穴用于水氧化反应. 密度泛函理论计算进一步证实, SbVO4/PCN异质结内杂化p轨道电子倾向于转移至O2的1π与2π*轨道, 显著削弱了O2分子中的O=O键, 致使*O2向*OOH的转化呈现热力学自发特征, 进而有效降低了SSORR路径的反应能垒. 同时, SbVO4表面发生的水氧化反应可原位持续生成O2和H+, 自发补充SSORR反应所需的反应物, 极大地提升了整体反应的动力学性能, 最终实现了H2O2的高效光催化合成.
综上,本研究通过构建多效增强的S型SbVO4/PCN异质结光催化剂, 成功解决了光催化合成H2O2过程中存在的反应物补给不足, 中间产物转化效率低, 光生载流子复合过快的三大动力学瓶颈, 为常温常压且无牺牲剂条件下高效光合成H2O2提供了新的材料设计思路, 也进一步拓展了S型光催化体系的研究方向.

关键词: 人工光合成, 连续单电子氧还原, H2O2, S型异质结, SbVO4/PCN

Abstract:

Non-sacrificial artificial photosynthesis of H2O2 offers a charming process for onsite H2O2 generation with unique merits of sustainability and environmental friendliness. However, the low conversion efficiency of sequential single-electron oxygen reduction reaction (SSORR) greatly limits the H2O2 production rate. Herein, we develop a step-scheme (S-scheme) SbVO4/PCN system for artificial photosynthesis of H2O2, which displays greatly boosted photocatalytic SSORR. The H2O2 yield can reach as high as 94.7 μmol·g-catalyst-1·h-1 under visible light illumination (λ > 420 nm), about 41 times higher than that of the pristine PCN. The S-scheme charge transfer pathway is systematically demonstrated by photo-irradiated Kelvin probe force microscopy, in-situ X-ray photoelectron spectroscopy and surface photovoltage measurements. Theoretical calculations further indicate that the SbVO4/PCN is favorable to transfer electrons from its hybrid p orbitals to the 1π and 2π* orbitals of O2 and the evolution from *O2 to *OOH consumes no energy, therefore greatly promoting the formation of PCN-*OOH even without electron donor. The onsite generated O2 via water oxidation reaction on SbVO4 can replenish its consumption on PCN, leading to boosted reaction kinetics.

Key words: Artificial photosynthesis, Sequential single-electron oxygen reduction reaction, H2O2, S-scheme, SbVO4/PCN