谢毅院士团队综述：半导体光催化技术助力绿色过氧化氢合成
谢毅院士团队综述：半导体光催化技术助力绿色过氧化氢合成
过氧化氢（H₂O₂）是一种重要的化工原料，在医疗消毒、污水处理和工业合成等领域有着广泛应用。传统的H₂O₂生产方法存在能耗高、污染大的问题，而半导体光催化技术以其低能耗、清洁性等优势成为研究热点。近日，中国科学技术大学谢毅院士团队在《科学通报》发表综述文章，系统总结了半导体光催化H₂O₂合成的最新研究进展。
半导体光催化H₂O₂合成主要是利用半导体光激发产生的电子和空穴，通过单电子或多电子转移路径，将原料氧气和水转化为H₂O₂。这种多样的反应路径一方面极大地拓展了催化剂体系，另一方面也对反应机制与性能优化研究提出了挑战。目前，研究主要集中在两电子氧还原路径，而相应的调控思路主要集中在优化能带结构、提升电荷分离效率等方面。
由于产物较高的化学活性，半导体光催化H₂O₂合成的性能评估显著依赖于反应器设计、反应条件控制。在这方面，文章总结了固定式、连续流式、双相流体系统、微反应器等反应器对催化效率、产物分离的影响，同时还对比了包括化学滴定法、比色法、发光法、原位测量法等在内的多种H₂O₂检测方法的优缺点。
此外，文章还对常见的光催化H₂O₂合成催化剂体系进行了综述。从组成/结构特点、化学稳定性等方面，介绍了金属氧化物、金属硫化物、聚合物半导体、金属-有机框架、共价有机框架等体系的优缺点；总结了元素掺杂、异质结构筑、缺陷工程、共催化剂设计等策略在提升光吸收能力、促进电子-空穴分离、增强底物吸附和活化等方面的作用。
半导体光催化H₂O₂合成技术的应用主要受限于产物分离、浓度等因素，而对H₂O₂浓度需求不高的应用场景拓展成为当前研究的热点。例如，通过光催化产生的H₂O₂可以与铁基催化剂协同作用，快速降解水中的有机污染物，实现高效的废水处理；半导体光催化H₂O₂合成还可用于原位杀菌，有效杀灭细菌和病毒，为医疗消毒提供了新的思路。
文章最后对半导体光催化H₂O₂合成的未来研究进行了展望，讨论了在反应机制探究、光催化体系设计、应用场景拓展等面临的挑战与机遇。通过跨学科合作和技术创新，半导体光催化H₂O₂合成有望为可持续化学和绿色能源领域带来新的突破。