過氧化氫（H₂O₂）是一種多功能化學品，可以用作綠色氧化劑和清潔液體燃料。其中，太陽能驅動合成H₂O₂具有可持續性和環境友好性的優點。然而，利用太陽能的高成本制約其發展，而光催化劑成本和太陽能轉換效率是影響成本的兩個關鍵因素。因此，設計具有良好太陽能轉換效率的低成本光催化劑是實現可持續合成H₂O₂的主要挑戰。需注意，提高轉換效率在很大程度上依賴于對納米尺度結構活性關系的全面機理理解。在各種光催化劑中，有機骨架構成的聚合物氮化碳（PCN）具有結構易優化的優點，有助于實現高效的催化反應。因此，只有在設計PCN的結構和組成時，清楚地理解和考慮結構與光催化活性的關系，才能最大限度地發揮其獨特的優勢。但是，了解整個光催化過程仍面臨挑戰，因為它涉及多個連續的步驟，包括光子吸收/激發、發射衰減、光誘導電荷捕獲/分離、電荷傳輸到表面活性中心等，而每一步都有助于提高整個太陽能轉換效率。此外，對于光催化2e^–氧還原反應（2e^– ORR）中具體的結構特征如何影響每一步的機理仍具有挑戰性，并且還未探索，而其對于合理設計高效太陽能驅動合成H₂O₂系統至關重要。

2021年6月17日，韓國浦項科技大學Wonyong Choi和廣州大學大灣區環境研究院趙玉寶教授（共同通訊作者）等人報道了他們通過使用含氰胺酸鈉基團的聚合物氮化碳（PCN）骨架，通過2e^–氧還原反應（2e^– ORR）實現了高效的太陽能驅動合成H₂O₂，其合成H₂O₂的速率達到了18.7 μmol h^-1 mg^-1，在380 nm處的表觀量子產率也達到了27.6%。通過系統地分析了整個光催化轉化過程，并結合實驗和理論方法證實了一些以前未知的結構特征和相互作用。骨架中氰基氨基和吡啶氮配位鈉的結構特征促進了光子吸收，改變了骨架的能量圖譜并且提高電荷分離效率，增強分子氧的表面吸附，同時產生了選擇性的2e^– ORR表面活性位點。特別是，通過實驗證實了O₂和表面之間的電子耦合相互作用，可以增加粒子數量并延長激活的淺俘獲電子的壽命。

在以生物量甘油為電子/質子供體的太陽能驅動的選擇性2e^– ORR中，含氰胺鹽部分的PCN骨架對合成H₂O₂具有良好的光活性，是連續流動光反應中PCN的24.6倍。將氰胺酸鈉部分引入PCN骨架中引入具有以下多重效應：（1）增強光子吸收；（2）改變骨架的能量分布，導致輻射電荷復合延遲，并改善表面區域的電子積累；（3）構建表面活性位點吸附氧氣；（4）有利于選擇性2e^– ORR。所有這些都對太陽能驅動合成H₂O₂性能有協同作用。需注意，表面吸附氧與PCN-NaCA-2之間的相互作用提高了電子數量，并延長了淺層俘獲電子的壽命。該工作表明在設計高效的光催化劑時，應考慮光激發過程中反應物表面的相互作用以及材料的本征激發特性。

Mechanistic analysis of multiple processes controlling solar-driven H₂O₂ synthesis using engineered polymeric carbon nitride. Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-24048-1.