当前我国多数医院污水处理主要采用“预处理+生化处理+加氯消毒”的工艺，然而该工艺对医疗污水的应急处理能力不佳，难以保障污水中病原微生物及药物污染物的快速应急处理。近些年基于原位自芬顿体系的应急水处理技术备受关注，它主要通过原位制备过氧化氢（H2O2）形成类芬顿体系，实现污水中病原微生物和典型药物污染物的同步消杀。上述体系中的核心是需要原位制备H2O2。在众多的原位制备H2O2方法中，光合成 H2O2，因其环保、低能耗和安全的特点，受到越来越引起人们的关注。然而，快速的光生电荷复合行为（体相复合和表面复合），严重影响H2O2光合成的效率。与耗时数十纳秒的表面复合相比，快速的体相复合通常发生在几个皮秒内。因此，如何降低体相复合，对于提高光生载流子的分离效率至关重要。目前，提升光生载流子分离效率手段主要包括异质结构建、表面修饰、元素掺杂、贵金属负载、缺陷构筑和形貌调控等。这些技术主要局限于抑制表面复合，无法解决快速体相复合导致光生载流子效率低下的难题。因此，迫切需要发展全新的抑制载流子体相复合的方法，实现高效率的H2O2光合成。
图1 分子偶极场促进光生载流子体相分离的概念
图2 光合成双氧水用于大肠杆菌灭活
为了攻克这一难题，暨南大学环境学院暨广东省环境污染与健康重点实验室博士生李志、朱明山教授及其合作者基于结构工程诱导的偶极场效应，提出了一种具有偶极场的富氮氮化碳，通过驱动其自发极化，实现了高效光催化合成H2O2，并对其反应机制进行了深入探究。与传统的C3N4相比，所制备的C3N5在模拟太阳光和超声波条件下展现出高的H2O2产率（3809.5 µmol g-1 h-1）和高2e-选择性（92％），已经超过大多数基于氮化碳的光催化材料。这种三唑基团的引入可以诱导结构的不对称性，进而产生具有自发极化的偶极场，促进光生电荷定向分离。此外，由于偶极场的作用，三唑基团中的N原子作为活性位点，捕获O2和电子，从而促进间接的2e-过程生产H2O2。这种分子结构工程诱导的偶极场实现了高效光生载流子的分离和迁移，为揭示光催化反应动力学规律和开发催化剂分子设计方式提供了重要方法支撑。
相关研究成果近期发表在Nature Communications杂志上。论文第一作者为：暨南大学博士研究生李志，论文共同通讯作者为：暨南大学朱明山教授和中科院生态环境研究中心焦文涛教授。该工作由暨南大学、中科院生态环境研究中心、浙江海洋大学、吉林大学、山西大学、中国人民解放军总医院合作完成。这项工作得到了国家自然科学基金优青项目（22322604）、广东省自然科学基金杰青项目（2020B1515020038）等项目的资助。
Zhi Li, Yuanyi Zhou, Yingtang Zhou, Kai Wang, Yang Yun, Shanyong Chen, Wentao Jiao*, Li Chen, Bo Zou, Mingshan Zhu*, Dipole field in nitrogen-enriched carbon nitride with external forces to boost the artificial photosynthesis of hydrogen peroxide. Nat. Commun.14, 5742 (2023).
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-41522-0
