光催化合成过氧化氢（H₂O₂）作为一种绿色合成方法，在光照条件下仅利用催化剂（如氮化碳）与氧气和水进行反应，具有广阔的发展前景。其中，氮化碳虽具备一定反应活性，但通常仅利用了光催化剂的导带进行氧气分子还原反应（ORR）制备H₂O₂，而忽略了催化剂价带的水氧化反应（WOR）直接制备H₂O₂的路径。因此，迫切需要开发一种兼具ORR和WOR的新型双通道氮化碳基光催化材料。

近日，福建农林大学肖禾副教授、廖光福教授，联合武汉纺织大学杨应奎教授和法国蒙彼利埃大学Bruno Boury教授团队通过氢键自组装方法将纤维素基碳纳米纤维CF负载至g-C₃N₄同质结（MCN/SCN）表面，成功构建出MCN/SCN/CF复合光催化剂，从而实现了高效双通道（ORR&WOR）合成H₂O₂，相关研究成果以“A novel dual-channel carbon nitride homojunction with nanofibrous carbon for significantly boosting photocatalytic hydrogen peroxide production”为题发表在《Advanced Fiber Materials》（中科院1区，IF：16.1）上。

该研究通过直接煅烧法构建g-C₃N₄同质结，不仅可以促进光生电子-空穴(e^-/h⁺)对的分离和迁移，还能够调控能带结构，实现WOR合成H₂O₂。此外，g-C₃N₄同质结引入少量的纤维素基碳纳米纤维（CF），可作为g-C₃N₄基光催化剂的电子转移剂和能带调控剂，进一步抑制其光生电子-空穴(e^-/h⁺)对的复合，增强光催化ORR/WOR双通道合成H₂O₂的能力。

图1 MCN/SCN/CF光催化剂的制备流程示意图及微观形貌分析。

图1a为MCN/SCN/CF复合光催化剂的制备流程图。以三聚氰胺为原料，通过水热自组装和煅烧法获得了g-C₃N₄中空管（MCN）；以硫脲为原料，通过煅烧法得到了g-C₃N₄纳米片（SCN）；随后，将MCN、SCN与CNF在水溶液中进行湿法氢键自组装，经高温碳化处理，成功合成出MCN/SCN/CF复合光催化剂。三种光催化剂的SEM和TEM表征如图1b-e所示。其中，MCN为中空管状结构（图1b），直径为 2~5 µm，长度为60 µm左右，其表面负载的大量颗粒为g-C₃N₄纳米片堆叠形成的SCN（图1c）。另外，从图1d中可以观察到纤维状的CF无序地粘附在MCN/SCN表面。结合TEM（图1e）结果，证实了MCN/SCN/CF光催化剂的成功制备。

图2 光催化剂的光催化合成H2O2性能评估。

由图2可知，单纯MCN由于其光生电子-空穴易复合，光催化H₂O₂生成性能仅有17.06 μmol·L^-1，而优化后的MCN/SCN和MCN/SCN/CF光催化剂展现出优异的光催化H₂O₂性能，分别为55.44 μmol·L^-1和87.36 μmol·L^-1，约是MCN的3.25倍和5.12倍。这一结果可能源于同质结的构建和CF的引入。

图3 光催化剂的光电化学性能评估。

为验证以上推论，通过光电化学测试探究了三种光催化剂的性能影响机制。由图3可知，MCN/SCN/CF具有最高的光电流强度、最低的阻抗半径、最强的光致发光（PL）猝灭和最长的平均荧光寿命，这表明其具有最佳的光生电子-空穴(e^-/h⁺)对分离和迁移速率。

图4 光催化剂的光催化合成H₂O₂机理分析。

通过能带结构、Koutecky–Levich谱图和EPR分析进一步阐明了三种光催化剂的H₂O₂生成路径。如图4所示，MCN为一步两电子和两步单电子ORR混合路径，而MCN/SCN和MCN/SCN/CF以两步单电子ORR路径为主。此外，相较于MCN，MCN/SCN和MCN/SCN/CF还呈现出较高的WOR活性，其中MCN/SCN/CF的H₂O₂性能约是MCN/SCN的2倍。该结果一方面归因于同质结的构建在一定程度上调控了光催化剂的能带结构并促进了光生载流子的分离，另一方面CF的引入能够进一步降低其价带位置且抑制光生载流子的复合。

综上所述，本工作成功构建了一种纤维素基纳米碳纤维（CF）修饰g-C₃N₄同质结的高效光催化剂（MCN/SCN/CF）。MCN、SCN和CF三个组分之间通过协同作用调控了g-C₃N₄的能带结构并促进了光生空穴-电子对的快速分离和迁移，从而实现了高效双通道光催化生产H₂O₂。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-023-00354-9

人物简介

肖禾 副教授，福建省高层次人才，校杰出青年科研人才，校五四青年奖章获得者。2015年6月于华南理工大学获得制浆造纸工程博士学位（导师：何北海教授），2017-2019年CSC公派留学加拿大滑铁卢大学从事博士后工作（导师：陈忠伟院士）。肖禾博士主要从事清洁制浆造纸工程，生物质基功能材料及先进光催化环境、能源应用等领域的研究。主持国家自然科学青年基金、中国博士后科学基金、福建省自然科学基金面上项目、华南理工大学制浆造纸国家重点实验室开放基金等多项省部级以上项目。相关研究成果以第一或者通讯作者在Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Advanced Fiber Materials、Carbohydrate Polymers、Journal of Colloid and Interface Science、Fuel、Cellulose等国际著名刊物发表论文30余篇，授权发明专利10件。长期担任Applied Catalysis B: Environmental、Journal of Materials Chemistry A、Bioactive Materials、Applied Energy、Carbohydrate Polymers等期刊的审稿专家。