催化材料0524丨湖北大学李庆副教授Acta Phys.-Chim. Sin.：在氮化碳上引入双功能位点：调控载流子迁移与O2活化以促进光催化合成H2O2

2026年4月30日，国际期刊《Acta Physico-Chimica Sinica》在线发表了题为“Introducing dual-functional site on carbon nitride: steering carrier migration and O2 activation for boosted H2O2photosynthesis”的研究性论文。本研究设计了一种以吡啶环作为电子陷阱的氮化碳体系。该体系在氮化碳结构边缘引入特定吸附位点(–C=O、–OH/–NH2)，有效促进了O2分子的活化。飞秒瞬态吸收光谱揭示了电子陷阱诱导的电荷转移现象，该过程加速了电子向表面活性位点的迁移。实验表征与密度泛函理论(DFT)计算表明，氮化碳的边缘功能化改变了其电子结构，引发电荷重新分布，降低了O2吸附与活化的能垒，并证实了依赖于吡啶环的快速电子离域通道。《Acta Physico-Chimica Sinica》是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2025年5月发布的最新影响因子为13.7，主要刊登物理化学领域高水平的研究成果，属于物理化学类Top期刊与JCR 1区期刊。

第一作者：薛媛

通讯作者：李庆 廖光福

通讯单位：湖北大学 福建农林大学

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actphy.2026.100311

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最新研究进展表明，定向引入电子捕获基团为调控电荷分离提供了有效策略。本研究通过在氮化碳边缘以共价键形式引入吡啶环及含羟基/氨基(–OH/‒NH2)的吡啶环，开发出具有高效电子陷阱和离域通道的双功能催化剂(N-CN、HN-CN和AN-CN)。载流子动力学研究表明，三种催化剂中吡啶环均作为电子陷阱捕获光生电子，显著促进了氮化碳框架内的面内载流子分离。结合O2-TPD与密度泛函理论(DFT)分析发现，相较于原始氮化碳(PCN)，这些位点展现出更强的O2吸附能力和活化效率，从而动力学上促进了超氧阴离子(·O2‒)生成与光催化H2O2生成。正如预期，三种材料均表现出优异的光催化H2O2产率。值得注意的是，AN-CN的H2O2产率高达2798 μmol g−1 h−1，这归因于其吡啶环的强共轭效应与‒NH2基团的给电子能力的协同作用，使其产率在同一条件下较PCN、N-CN和HN-CN分别提升8.7倍、2.3倍和1.5倍。该研究为氮化碳的定向分子工程设计提供了新范例。

过氧化氢(H2O2)作为一种高价值绿色能源载体，广泛应用于化学合成、医疗消毒及废水处理等领域。因此，随着市场需求的持续增长，具有潜在价值的H2O2合成技术具有重要意义。相较于传统蒽醌法工业合成H2O2，光催化技术利用几乎取之不尽的太阳能提供了更具可持续性的合成策略，其特点是反应条件更温和、能耗更低。然而该方法高度依赖于催化剂的本征特性，包括能带结构、活性位点及界面电荷动力学。因此，开发高性能光催化剂对推动H2O2合成技术的发展至关重要。目前，研究工作已开发出多种光催化剂，如金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)、石墨相氮化碳(g-C3N4)、聚合物树脂以及金属氧化物/硫化物等。其中，g-C3N4因其合成简便、化学稳定性优异及光响应特性突出而备受关注。值得关注的是，g-C3N4有限的活性位点阻碍了氧气(O2)吸附，而光生载流子的快速复合制约了H2O2的生成。鉴于g-C3N4可调的分子结构，在其框架边缘引入有机官能团可调控能带结构、电荷分离转移性能及O2活化能力，这是进一步提升其光催化性能的有效策略。

(1) 基于分子工程设计具有电子捕获中心和O₂吸附位点的氮化碳结构。

(2) 促进激子解离与电子寿命的协同增强。

(3) 吡啶环结构协同侧链官能团具有优异的电子迁移诱导效应。

(4) 载流子迁移动力学过程快速转移得到fs-TA验证。

实验样品通过热聚合及酰胺化反应制备。SEM和TEM的结果表明，原始氮化碳（PCN）呈现聚集块状堆叠结构，而官能团修饰后的样品N-CN、HN-CN和AN-CN则表现为直径约5μm的中空蓬松六棱柱管状结构。通过XRD、FTIR、XPS以及固体13C NMR测试表明三种改性材料的官能团接枝仅发生在PCN表面且引入量极低。

Fig. 1 (a) Formation process and structure of catalysts. TEM images of (b) N-CN, (c) HN-CN and (d) AN-CN. (e) N2 adsorption/desorption isotherms, (f) XRD pattern and (g) FTIR spectrum of the as-prepared catalysts. (h‒i) XPS spectra of C 1s and O 1s of samples. (j) Solid-state 13C NMR spectra of PCN, N-CN, HN-CN and AN-CN.

在可见光照射下，N-CN、HN-CN和AN-CN相较于PCN均展现出显著提升的光催化H2O2产率。其中N-CN和HN-CN分别达到PCN的3.6倍和5.8倍，而AN-CN更是实现了2798 μmol g−1 h−1的卓越活性，较PCN提升8.7倍，反应过程中催化剂浓度恒定为1 mg mL−1。

Fig. 2 (a) Time-dependent H2O2 production. (b) Comparison of artificial H2O2 photosynthesis by various carbon nitride-based photocatalysts (please refer to Table S2). (c) The yield of H2O2produced over AN-CN at different wavelengths. (d) Cyclic experiment of photocatalytic H2O2 production over AN-CN. (e) Trapping experiments of radical scavengers for photocatalytic H2O2generation by AN-CN. (f) Koutecky-Levich plots of the ORR data measured by RDE analysis for asprepared samples. (g) EPR spectra of DMPO-·O2− recorded over PCN, N-CN, HN-CN and AN-CN. (h) The shielding treatment of carbonyl group in N-CN, HN-CN and AN-CN by the treatment of PH.

N-CN、HN-CN和AN-CN体系中激子寿命的缩短，表明吡啶环结构与官能团(‒OH/‒NH2)协同促进激子解离。同时，催化剂适宜的带隙位置从热力学上确保了2e‒ ORR反应的可行性。

Fig. 3 (a) UV-Vis diffuse reflection spectrum. (b) Steady-state PL decay and (c) Time-resolved photoluminescence emission spectroscopy of the as-prepared catalysts. (d) Electrochemical impedance spectra and (e) Photocurrent response of the as-prepared catalysts. (f) Schematic illustration of the energy band structure.

时间常数τ1和τ2分别可以看出，相较于N-CN和HN-CN，AN-CN展现出更长的载流子寿命(τ1 = 19.1 ps，τ2 = 833.7 ps)及平均寿命(τave = 793.8 ps)，这能诱导长寿命浅层电荷捕获，提升光生电子利用率，增强光电子密度并改善光催化性能。

Fig. 4 Two-dimensional pseudo-color maps of (a) N-CN, (b) HN-CN, (c) AN-CN. (d‒f) TA spectra signal on the fs-ns timescales of (g‒i) decay kinetic curves of N-CN, HN-CN, and AN-CN samples.

Fig. 5 (a) O2-TPD curves. (b) In situ DRIFTS of AN-CN collected in the H2O2photocatalytic processes in the O2 and water vapor atmosphere. (c) Two-dimensional contour images of in situ infrared spectra. (d) Electrostatic potential (ESP) (positive part: red, negative part: blue) (e) The distribution of HOMO and LUMO in the PCN, N-CN, HN-CN and AN-CN.

AN-CN的S0→S25跃迁表现出显著D指数值，明确指示电荷转移激发特征。这一结论通过空穴-电子等值面可视化得到验证：粉色与蓝色等值面的质心呈现空间分离。而其它电子跃迁的质心则紧密重叠，证实其局域激发特性。这表明‒NH2键合产生的强电子共轭效应可进一步提升吡啶环的电子密度，从而促进光生载流子分离。

Fig. 6 (a) Electron transfer mechanism of N-CN, HN-CN and AN-CN (electron deficient: blue, electron donor: red. Color depth corresponds to ability strength). (b) The charge density difference (CDD) and (c) Chole-Cele centroid distribution of samples for excited states (the pink part is the photogenerated electron and the blue part represents the hole).

本研究表明，通过向氮化碳骨架中引入具有活性位点的电子陷阱，可实现高效的光催化H2O2生成。采用一步合成策略将生物相容性烟酸衍生物共价固载于管状氮化碳上，该修饰能协同促进激子解离并强化O2吸附，从而在温和条件下可实现清洁能源载体H2O2的高效光催化合成。值得注意的是，本研究系统比较了不同官能团与吡啶环对提升H2O2生成速率的协同效应，为分子水平的设计原则提供了机理层面的见解。

Yuan Xue, Yanjun Zhang, Jun Du, Zushun Xu, Guangfu Liao, Qing Li. Introducing dual-functional site on carbon nitride: steering carrier migration and O2 activation for boosted H2O2 photosynthesis. Acta Physico-Chimica Sinica (2026) 100311,https://doi.org/10.1016/j.actphy.2026.100311.

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撰稿：薛媛

编辑：环境与能源功能材料

审核：李庆

薛媛（第一作者），湖北大学材料科学与工程学院2024级博士研究生。研究方向为环境绿色催化转化。在Green Energy Environ.Acta Phys.-Chim. Sin. 等期刊上发表SCI论文6篇。获中国国际大学生创新大赛(2025)国家级奖项1项。

廖光福（通讯作者），博士，教授，入选中国科协青年人才托举工程、“闽江学者奖励计划”特聘教授、福建省高层次C类人才、福建农林大学“百人攀登计划”培育项目、2022年Journal of Materials Chemistry A新锐科学家及2023年Chemical Communications新锐科学家，担任《eScience》（影响因子42.9）、《Advanced Fiber Materials》（影响因子17.2）、《Exploration》、《林业工程学报》、《东华大学学报》等期刊青年编委。师从中山大学高海洋教授，长期从事光催化技术的开发和应用、生物质的高值化利用等研究，积累了丰富的光催化剂设计与开发、生物质高值化催化转化、反应机制解析及理论计算等基础和技能。近五年来，以第一/通讯作者身份在Nature Communications（1篇）、Energy & Environmental Science（2篇）、Matter（3篇）、Angewandte Chemie（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）和eScience（1篇）等国际著名期刊发表60余篇高水平论文（其中，影响因子>10，20篇；影响因子>30，4篇），论文被Nature Review Materials、Nature Synthesis、Chemical Society Reviews、Nature Communications和Advanced Materials等期刊引用7100余次，h指数50，11篇入选ESI高被引论文。授权中国发明专利11项（成功转让1项），参编英文和中文专著各1部，作为负责人主持包括国家自然科学基金青年和面上项目在内的多项科研项目。

李庆（通讯作者），博士，副教授，硕士生导师，湖北省楚天学者，江苏省科技副总，创新创业导师。Exploration、Rare Met.、Eng. Sci.、Smart Mol.、Renewable Sustainable Energy Rev. 和材料导报等期刊青年编委。主要研究领域包括：能源和环境光催化材料的设计和制备；超支化聚酰亚胺、聚酰亚胺基纳米复合材料的合成、理化性能以及在低介电、紫外遮蔽等领域的应用研究，主持国家自然科学基金、省部级科研基金等项目10余项。指导学生获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等国家级奖项5项及省部级奖项10余项；指导学生获得国家级和省级大学生创新创业训练计划立项项目2项。以第一/通讯作者在Appl. Catal. B: Environ. Energy、Acta Phys. -Chim. Sin.、Prog. Mater. Sci.、Trends Biotechnol.、Chem. Eng. J.、Chin. J. Catal.、Mater. Rep.: Energy等国内外期刊上发表论文40篇，累计影响因子300，总引用次数1000余次，ESI高被引论文3篇。获授权中国发明专利10余项。

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