富氮碳点介导nπ*电子转变，提升光合成H2O2活性

太阳能驱动的双电子氧还原合成过氧化氢(H2O2)是解决当前环境挑战和能源危机的一条经济上可行和环境上可持续的途径。无金属氮化碳(CN)具有独特的特性，包括可见光吸收的最佳带隙、目标反应的良好带边位置、环境友善、热和化学稳定性以及成本效益等而受到人们的关注。

然而，原始CN也具有固有的缺陷，如可见光吸收不足，快速光生载流体复合，以及缺乏有效的活性位点。这些问题导致了不匹配的带隙，低电子转移，以及对牺牲剂的依赖，共同导致了不理想的光合成H2O2性能。

近日，上海大学王亮、南洋理工大学刘政、雷振东等通过水热-煅烧串联合成策略来设计CDs10MCN异质结复合材料。其中，碳量子点(CD)在制备纳米薄片异质结的过程中起着Janus的作用。同时，CD作为剥离剂扩大了块状纳米薄片材料的层间距，诱导形成较薄的纳米薄片，这有效地增强了CDs10MCN中的nπ*电子跃迁。

实验结果表明，合成的CDs10MCN显著提高了光生电子-空穴对的分离效率，增强了氧的吸附，并促进了反应遵循2e−ORR途径。与nπ*电子跃迁较弱的CN相比，CDs10MCN催化剂的H2O2产量增加10倍，达到1.48 mmol L−1；并且，CDs10MCN在0.6 VRHE的起始电位下，H2O2的摩尔选择性达到80%，

此外，CDs10MCN表现出非凡的稳定性，在连续四个循环中保持其初始水平的催化效率。KPFM和ULFNMR测量显示，CDs10MCN的电荷密度和电子转移率较高，且光照对CDs10MCN界面质子传输的加速作用。

此外，原位DRIFTS和理论计算表明，CDs10MCN中增强的nπ*激发降低了材料带隙、促进了快速电荷迁移，以及优化了反应中间体的吸/脱附，进而提高了光催化H2O2的活性和选择性。综上，该项研究为设计具有nπ*电子跃迁特性的光催化剂提供了范例，为实现H2O2的高效和选择性生成铺平了道路。

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