新型催化剂突破：纯水环境中实现高效光催化生产过氧化氢
新型催化剂突破：纯水环境中实现高效光催化生产过氧化氢
近日，河北地质大学卢昶雨和江苏科技大学施伟龙课题组在光催化生产过氧化氢（H2O2）领域取得重要突破。他们开发了一种新型镍掺杂间苯二酚-甲醛树脂（NiRF）催化剂，能够在纯水环境中高效生产H2O2，为传统H2O2生产方法提供了一种绿色、可持续的替代方案。
以水和氧气为原料，在太阳能驱动下用于人工光合作用生产H2O2的途径为传统的H2O2生产方法提供了一种替代性的新策略。在光催化生产H2O2的氧还原反应中，虽然许多研究都集中在增强光催化剂中光生电子的参与，但氧气的高度参与在反应中的关键作用往往被忽视。用于高效生成H2O2的光催化ORR反应需要电子和氧气之间的协同相互作用，氧气在催化剂表面的吸附和活化对反应的进程有着显著的影响。光催化活性是催化剂和反应物上的活性位点之间表面反应的累积结果。因此，在催化剂内构建调节氧气行为的活性位点是增强光催化活性和开发高效光催化剂的可行策略。
图1. NiRF纳米球制备过程的示意图
研究团队通过一步水热法合成了镍掺杂RF树脂，并使用扫描电子显微镜分析了其微观结构。结果显示，NiRF表现出直径约为 400 nm的均匀球形形貌。镍离子的引入没有使RF树脂的均匀球形形貌受到影响，并且没有明显的镍纳米颗粒聚集，镍离子的掺入不会干扰 RF 树脂的聚合过程，也不会影响其尺寸和形态。在NiRF的Ni 2p的高分辨率 XPS 光谱中，可以观察到Ni 2p3/2和Ni 2p1/2信号的存在，这充分证实了Ni元素成功掺杂到RF树脂中。
图2. NiRF纳米球形貌，元素分布及高分辨率XPS光谱
研究发现，镍离子的掺入优化了NiRF树脂的能带结构，并为氧的转化提供了活性位点。Ni金属活性位点显著调节NiRF对O2的吸附能力，并确保合适的吸附构型和能量。在可见光照射下，最佳的NiRF催化剂表现出令人印象深刻的H2O2生成速率，高达31.75 mM g-1 h-1，明显优于迄今为止报道的大多数催化剂。
图3. NiRF的理化性质，光学性质及能带结构
与RF树脂相比，所有样品在纯水中都表现出增强的光催化生成H2O2活性。其中，NiRF-5在没有额外氧气的条件下表现出最高的光催化性能，显著超过RF树脂。此外，NiRF-5的光催化产H2O2速率也比纯RF树脂高1.45倍，镍掺杂显著提高了RF树脂的H2O2生产能力，超过了近年来报道的光催化H2O2产率。NiRF的选择性相较于RF树脂发生了显着提高，并且相应的电子转移值（N）均接近理论理想值2，这些结果共同阐明了在光催化H2O2生产过程中会发生两步单电子ORR反应。
图4. NiRF光催化产H2O2性能
与RF相比，NiRF表现出更高的峰面积，表明NiRF对O2具有优越的吸附能力，这充分表明镍掺杂到RF树脂中促进了O2的吸附和活化，从而增强了光催化生产H2O2的性能。在RF树脂光催化生产H2O2的过程中，光生电子的参与起着不可替代的作用。在光致发光（PL）光谱中，与RF树脂相比，NiRF表现出更低的PL强度，这充分表明Ni掺杂后，RF树脂中光激发电子和空穴的复合受到了抑制。在光电化学测试中，NiRF树脂表现出更强的光电流密度，NiRF-5树脂的电化学阻抗谱（EIS）具有更小的光谱半径，表明 RF 树脂中Ni掺杂后空间电荷转移电阻降低，这也表明Ni的掺入导致RF树脂中光生电荷载流子的有效转移和分离。
图5. NiRF程序升温脱附（TPD-O2）曲线及光电性质
NiRF上Ni位点可以有效吸附O2。这种增强的吸附能力是NiRF在光催化生产H2O2中性能提高的关键因素。通过进一步计算和分析RF和NiRF样品上O2吸附时的电荷差密度，NiRF的电荷转移明显大于RF，Ni位点促进了O2的吸附和活化。NiRF中增强的离域效应促进了电荷分离，从而促进了氧吸附后产生H2O2的后续过程。Ni 活性位点确保了适当的O2吸附能和吸附构型，从而保证了后续H2O2的高效生成。此外，Ni活性位点的掺入增强了氧活化并减少了与生产H2O2相关的能量势垒，从而促进H2O2的产生。
图6.金属位点上O2吸附结构示意图，吸附能，电荷差密度，静电势，PDOS和自由能分布
Ni离子的掺杂调节了RF树脂的能带位置，使其在热力学上为H2O2生产提供了更有利的条件。光激发后，NiRF树脂在CB中产生光生电子，在VB中产生空穴。在光生电子与氧结合产H2O2的过程中，Ni位点作为氧吸附的高效活性位点，不仅增强了NiRF树脂的氧吸附能力，还促进了光生电子在NiRF上的分离和迁移，促进了涉及更多氧和光生电子的连续双电子氧还原反应，导致形成各种氧化中间体和H2O2。同时，Ni位点还抑制了催化剂表面产生的H2O2的分解，从而通过光催化手段实现H2O2的高效生产。
图7. NiRF在光催化2e- ORR 中Ni位点结构演变的示意图和光反应过程中记录的NiRF的原位DRIFT光谱
图8.基于NiRF纳米球的光催化产H2O2机理示意图
这项研究为基于RF树脂的光催化剂提供了一种新颖的设计理念，并为开发高效光催化生产H2O2的方法提供了一种方案。相关成果发表在《Small》期刊上。