H₂O₂作为一种绿色氧化剂，在清洁燃料、废水处理、消毒清洁和有机合成等领域应用广泛。同样，作为生命体中的内源代谢物，H₂O₂在生物传感和肿瘤治疗等生物医学领域也具有超凡的应用前景。例如，在光动力疗法（PDT）中，H₂O₂被分解成氧气缓解乏氧环境；在化学动力疗法（CDT）中，H₂O₂通过芬顿反应产生高活性羟基{attr}3107{/attr}。传统蒽醌法合成H₂O₂存在高能耗和环保等挑战；相比之下，无金属氮化碳聚合物光催化剂因其能够直接从水和空气合成H₂O₂，因此被认为是一种理想的替代合成方案。然而，在实际应用中，H₂O₂光合成存在选择性和活性低等瓶颈问题，例如，(1) 绝大多数氮化碳聚合物在热力学上不能排除析氢副反应，安全隐患特别是大规模应用时不容忽视；(2) 目前最先进的光催化剂在乏氧条件下光合成H₂O₂的效率较低，无法实现肿瘤微环境(pO₂≤ 5 mmHg)下H₂O₂的有效合成，极大地限制了在PDT/CDT领域的应用。

近日，东南大学张袁健教授课题组通过调控氮化碳嗪环连接基团，合成出一种新型无金属H₂O₂光催化剂C₅N₂。共轭C=N键的引入，增强了p-电子离域，可促进有效的电子-空穴分离，同时C₅N₂表现较低的导带(> 0 V vs. NHE)和价带位置，理论上可在热力学上消除析氢副反应（HER）和动力学上促进水氧化反应（WOR）。深入的光电化学、自由基捕获和同位素质谱等实验表明，在C₅N₂催化作用下，2e⁻氧还原反应（ORR）和2/4e⁻WOR相互协同，在常氧和乏氧体系中表现出高效和稳定的H₂O₂效率，且不需要添加牺牲剂和助催化剂。在常氧条件下太阳能-化学能转换效率能够达到0.55%，是目前常氧体系中合成H₂O₂最具竞争力的催化剂之一；在乏氧环境中达到698 mM/h，是目前已知效率最高的H₂O₂光催化剂。

论文信息