近日,上海大學岳東亭副研究員團隊在光催化合成H2O2研究方面取得重要進展。他們成功構建了一種新型光催化劑——APF-GQDs(石墨烯量子點負載氨基苯酚甲醛樹脂),在模擬太陽光照射下,該催化劑在純水+飽和O?體系中,3小時H2O2產率高達2934 μmol·g-1,表現出優(yōu)異的光催化性能。更令人驚喜的是,其表觀量子效率(AQE)高達12.9%(420 nm),太陽能到化學能轉換效率(SCC)達到1.14%,遠超大多數現有光催化劑,該成果以“Assembling Graphene Quantum Dots on Aminophenol-formaldehyde Resin towards Efficient Artificial Photocatalytic Hydrogen Peroxide Synthesis”發(fā)表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。該工作在原位紅外實驗設計、數據收集和處理過程中得到了BL01B線站工作人員的支持。
利用無金屬催化劑生產人工光催化過氧化氫(H2O2)作為無機光催化劑的替代策略,由于其經濟性、高穩(wěn)定性和安全性而受到越來越多的關注。酚醛樹脂作為一種非金屬有機聚合物,具有優(yōu)異的機械強度、耐酸性和熱穩(wěn)定性。石墨烯量子點(GQDs)作為一種有前途的零維材料,具有豐富的氧功能基團、可調諧的帶隙、強可見光吸收和優(yōu)異的光穩(wěn)定性,能夠與光催化劑結合,增強光催化性能。因此,本研究通過縮合和聚合過程將GQDs組裝到氨基苯酚甲醛樹脂(APF)中,形成APF-GQDs,并能催化水氧化反應和氧還原反應生成H2O2。在GQDs的幫助下,APF-GQDs表現出比原始APF更強的光吸收能力、更窄的激子解離帶隙,光電子的分離和轉移效率更高,大大促進了H2O2的合成(420 nm的表觀量子效率為12.9%,太陽能到化學能轉換效率達到1.14%)。

圖1 (a) APF-GQDs的合成過程,(b) APF-GQDs的SEM,(c) TEM, (d)和(e) HRTEM圖像,(f) APF-GQDs的化學結構,(g) GQDs的拉曼光譜,(h) APF和APF-GQDs的FTIR光譜(黑色曲線)和APF-GQDs(紅色曲線),(i) C 1s的高分辨率XPS光譜。
傳統光催化研究往往依賴終產物的定量分析,難以直接觀察反應過程中的分子變化。而時間分辨原位紅外結合衰減全反射(ATR)技術能夠在反應進行時實時跟蹤催化劑表面的吸附物種變化,從而揭示H2O2合成的動態(tài)機理。ATR模式下,將APF-GQDs均勻填充至4 mm厚、包含10次反射ZnSe晶體的水平ATR?(HATR)槽板內進行原位分析。紅外光在催化劑表面穿透納米至微米級的深度,使得測試結果更加聚焦于催化劑的活性中心,這使得APF-GQDs的電子轉移行為、O2活化路徑以及H2O2生成過程的特征信號得以清晰展現。研究團隊利用原位紅外(in situ?FTIR)結合水平衰減全反射(HATR)技術,揭示了APF-GQDs優(yōu)異性能的深層機理,探究其氧還原途徑(ORR)生成過氧化氫的中間態(tài)物質變化。通過位于1098 cm-1的˙O2?和1305 cm-1的˙OOH振動吸收峰的捕獲,進一步證實了2電子轉移的ORR路徑機理(圖2)。

圖2?(a)APF作用下的H2O2產率(b)H2O2光合成過程中APF-GQDs的原位ATR-FTIR光譜(c)O2?在10分鐘光照射下通過EPR捕獲檢測(d)GQDs修飾的APF光催化產H2O2機理圖
論文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d4ta08165j/unauth#fn1