近日，東南大學化學化工學院、江蘇省富碳材料器件工程研究中心張袁健教授課題組（https://Zhang.team）在壓電效應促進新動力學路徑光合成雙氧水（H2O2）研究中取得重要進展，研究成果以“H2O2 Photosynthesis from H2O and O2 under Weak Light by Carbon Nitrides with Piezoelectric Effect”為題在化學領域國際著名期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）在線發表。
H2O2作為一種高價值化學品，在清潔燃料、污水處理、消毒清潔、有機合成和生物治療等領域具有廣泛的應用。相較于高能耗、高污染、高風險的熱催化蒽醌合成方法，光催化技術可以將太陽能直接轉化為化學能，可實現安全、低成本和經濟環保的H2O2合成。然而，利用水和氧氣光催化制備H2O2仍具挑戰，光催化過程不僅需要高密度的太陽光，對催化劑的選擇性和活性也有較高的要求，水氧化反應的熱力學勢壘極大地限制了光催化H2O2全合成效率。
東南大學張袁健教授團隊與山東大學馬海波教授團隊（理論計算）合作，通過物質的壓電效應 誘導電子-空穴分離，補償/克服水氧化反應熱力勢能，提出利用羥基自由基新途徑實現水氧化反應促進生成H2O2。研究發現C5N2催化劑在光和超聲波協同作用下，能夠克服高上坡水氧化反應熱力學能壘，實現間接二電子水氧化反應過程。在弱光（10 mW/cm2）和超聲作用下，H2O2的光合速率可達到918.4 μM/h；去除超聲的貢獻（480.1 μM/h），光催化合成H2O2的太陽光利用效率達2.6%，優于已有文獻報道值（<1%）。理論計算證明光激發和壓電極化電場促進了反應物（O2和H2O）化學鍵的活化，加速了羥基自由基的生成，實現了新型間接二電子水氧化過程，提高了整體H2O2全生成效率。
鑒于C5N2優異的壓電弱光催化合成H2O2性能，研究團隊進一步構建了芬頓反應體系，應用于光聲化學腫瘤治療（Sono-photo-chemodynamic Therapy）和壓電污水凈化領域，均展現出良好的性能。這項工作將為H2O2的高效和選擇性光合成，特別是在弱光條件下，開辟一條新的途徑，并為其在能源，生物醫學和環境方面的應用提供了可能性。
東南大學化學化工學院博士生馬進和山東大學青島理論與計算科學研究院博士生彭程為論文第一作者，張袁健、馬海波和東南大學醫學院沈艷飛教授為共同通訊作者，該研究獲得了國家自然科學基金的支持。
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