第一作者：刘敏

通讯作者：朱书奎

通讯地址：中国地质大学（武汉）

论文DOI：10.1039/D5TA04269K

过氧化氢（H₂O₂）是重要的绿色氧化剂，但其工业制备仍以蒽醌法为主，存在能耗高、过程复杂等问题。基于光催化的双电子氧还原反应（2e^- ORR）被视为更清洁、高效的途径，但普遍受限于两点：光生载流子复合严重以及高效活性位点匮乏。本研究通过调控KCl和Zn-MOF-NH₂，在g-C₃N₄中引入氮空位并构建层间K-N“电子桥”。该结构同时促进光生载流子的分离与传输，并赋予氮空位O₂吸附/活化功能，从而显著提高H₂O₂的生成效率。实验表明，K-CZ-2（KCl-g-C₃N₄/Zn-MOF-NH₂-2）的H₂O₂产率达到 7.8 mmol g^-1 h^-1，约为未改性g-C₃N₄的20倍，优于多数已报道的氮化碳类光催化剂。同时，样品的表观量子效率（AQY）为3.08%，太阳能-化学能转换效率（SCC）为0.63%。理论计算进一步揭示，氮空位与电子桥能够协同优化光电子响应过程和氧还原反应路径，显著加速H₂O₂的生成。本研究为通过材料缺陷调控与结构设计提升光催化产H₂O₂性能提供了一条简便而高效的新思路。

H₂O₂作为强氧化剂和消毒剂，广泛用于废水处理、纺织与化学合成领域，应用需求持续增长。目前市场上所需的H₂O₂主要是通过蒽醌法制备，但该方法存在耗能高、潜在环境负担大、工艺复杂等问题。因此，节能、经济、可持续发展的光催化氧化还原合成方法引起了人们的极大关注。近年来，2e^- ORR已成为研究热点，但多数光催化材料存在载流子复合率高与有效活性位点少两大瓶颈，显著限制了2e^- ORR产H₂O₂的效率。因此，有必要开发兼具高载流子传输效率与可调活性位点的光催化剂。g-C₃N₄在可见光驱动的H₂O₂制备方面已有进展，但其可见光利用率低、载流子复合严重和活性位点不足等问题仍在，需要通过结构/缺陷/异质结等改性手段提升2e^- ORR产H₂O₂性能。

1、通过调控KCl和Zn-MOF-NH₂，在K-CZ-2中形成氮空位和电子桥，使其具有优异的理化性质和能带结构。

2、电子桥促进光生载流子的输运，提高体系中的自由电子浓度，氮空位作为活性位点，提供O₂吸附、活化能力。

3、具有充足的自由电子和O₂后，K-CZ-2通过光催化2e^-ORR路径产生的H₂O₂达到7.8 mmol g^-1 h^-1，接近g-C₃N₄的20倍，性能得到极大的提升。

图1. (a) K-CZ-2的合成路线。(b) K-C₃N₄-like的SEM 图像。(c) K-CZ-2的SEM 图像。 (d) K-CZ-2的元素分布图。(e) K-CZ-2 的TEM图像，(f) K-CZ-2 的HRTEM图像，(g) K-CZ-2 的SAED 图像。

通过两步合成法制备K-CZ-2，并采用SEM/TEM表征其形貌。可观察到，经热处理后的K-CZ-2呈现尺寸更小、厚度更薄的片层形貌。

图2. (a) 所有样品的XRD 曲线。 (b) 所有样品的 FT-IR 曲线。g-C₃N₄, K-C₃N₄-like和 K-CZ-2的XPS高分辨精细谱(c) C 1s，(d) N 1s。(e) K-C₃N₄-like 和 K-CZ-2的K 2p高分辨精细谱。 (f) K-C₃N₄-like和K-CZ-2的EPR信号。 (g) g-C₃N₄和 K-CZ-2