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由太陽能驅動的雙電子氧還原反應(ORR)生成過氧化氫(H₂O₂)是一種無排放和可持續的方法。同時，有機醇等犧牲劑常被用來降低反應能壘，促進H₂O₂產生動力學。然而，犧牲劑的再生增加了反應成本。此外，雖然使用純氧作為主要原料時，光催化系統表現出更高的H₂O₂生產活性，但是從空氣中分離出純氧無疑增加了操作復雜性。因此，合理設計并開發低成本和高效的光催化劑來組建利用水和空氣作為原料且無需任何犧牲劑的光催化系統對于高效H₂O₂光合成具有實際意義。

近日，武漢理工大學曹少文課題組通過連續C-H芳基化和聚合反應合成了共價鍵連接的分子異質結構，用于可見光和無犧牲劑的H₂O₂合成。

具體而言，缺電子的苯二噻吩-4, 8-二酮(BTD)與富電子的4, 4′-二溴聯苯(B)反應，然后與富電子的對苯二乙腈(CN)共聚形成BTDB-CN異質結構，這不僅擴大了π共軛域，而且增加了分子偶極矩，在很大程度上促進了光生載流子的分離和轉移。因此，在光照下，最佳的BTDBCN_0.2的H₂O₂產率高達1920 μmol g^-1 h^-1，分別是BTDB和BTDCN的2.2倍和11.6倍。

一系列系統的表征結果顯示，異質結構的構建增大了骨架的整體共軛，有效地擴展了光響應范圍；偶極矩的大小和方向可以通過改變CN的數量來調整，并能夠改變分子內載流子的轉移動力學。

此外，研究人員還揭示了BTDB-CN上光催化產生H₂O₂的機理：在分子異質結構中，首先BTDCN中的光生電子通過共價鍵(C=C)通道轉移到BTDB鏈上；其次，BTD位點上積累的電子將吸附的O₂轉化為?O₂^?，而H₂O被光生空穴氧化分解生成O₂和H⁺；隨后，H⁺通過C=O和C?OH中間體錨定到BTD上，并最終與?O₂^?和一個電子結合產生H₂O₂。

綜上，該項工作證明了分子異質結構在太陽能-燃料轉換應用中的巨大潛力，為有機半導體的設計提供了參考范例。

Molecularly tunable heterostructured Co-polymers containing electron-deficient and -rich moieties for visible-light and sacrificial-agent-free H₂O₂ photosynthesis. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202406310

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?武理Angew: 含缺電子和富電子組分的分子異質結，實現可見光和無犧牲劑H2O2光合成

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