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?上大/南洋理工AFM: 富氮碳點(diǎn)介導(dǎo)n→π*電子轉(zhuǎn)變，提升光合成H2O2活性

太陽能驅(qū)動(dòng)的雙電子氧還原合成過氧化氫(H₂O₂)是解決當(dāng)前環(huán)境挑戰(zhàn)和能源危機(jī)的一條經(jīng)濟(jì)上可行和環(huán)境上可持續(xù)的途徑。無金屬氮化碳(CN)具有獨(dú)特的特性，包括可見光吸收的最佳帶隙、目標(biāo)反應(yīng)的良好帶邊位置、環(huán)境友善、熱和化學(xué)穩(wěn)定性以及成本效益等而受到人們的關(guān)注。

然而，原始CN也具有固有的缺陷，如可見光吸收不足，快速光生載流體復(fù)合，以及缺乏有效的活性位點(diǎn)。這些問題導(dǎo)致了不匹配的帶隙，低電子轉(zhuǎn)移，以及對(duì)犧牲劑的依賴，共同導(dǎo)致了不理想的光合成H₂O₂性能。

近日，上海大學(xué)王亮、南洋理工大學(xué)劉政、雷振東等通過水熱-煅燒串聯(lián)合成策略來設(shè)計(jì)CDs₁₀MCN異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料。其中，碳量子點(diǎn)(CD)在制備納米薄片異質(zhì)結(jié)的過程中起著Janus的作用。同時(shí)，CD作為剝離劑擴(kuò)大了塊狀納米薄片材料的層間距，誘導(dǎo)形成較薄的納米薄片，這有效地增強(qiáng)了CDs₁₀MCN中的n→π*電子躍遷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的CDs₁₀MCN顯著提高了光生電子-空穴對(duì)的分離效率，增強(qiáng)了氧的吸附，并促進(jìn)了反應(yīng)遵循2e^?ORR途徑。與n→π*電子躍遷較弱的CN相比，CDs₁₀MCN催化劑的H₂O₂產(chǎn)量增加10倍，達(dá)到1.48 mmol L^?1；并且，CDs₁₀MCN在0.6 V_RHE的起始電位下，H₂O₂的摩爾選擇性達(dá)到80%，

此外，CDs₁₀MCN表現(xiàn)出非凡的穩(wěn)定性，在連續(xù)四個(gè)循環(huán)中保持其初始水平的催化效率。KPFM和ULFNMR測(cè)量顯示，CDs₁₀MCN的電荷密度和電子轉(zhuǎn)移率較高，且光照對(duì)CDs₁₀MCN界面質(zhì)子傳輸?shù)募铀僮饔谩?/span>

此外，原位DRIFTS和理論計(jì)算表明，CDs₁₀MCN中增強(qiáng)的n→π*激發(fā)降低了材料帶隙、促進(jìn)了快速電荷遷移，以及優(yōu)化了反應(yīng)中間體的吸/脫附，進(jìn)而提高了光催化H₂O₂的活性和選擇性。綜上，該項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)具有n→π*電子躍遷特性的光催化劑提供了范例，為實(shí)現(xiàn)H₂O₂的高效和選擇性生成鋪平了道路。

Nitrogen-rich carbon dot-mediated n→π* electronic transition in carbon nitride for superior photocatalytic hydrogen peroxide production. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202402650

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