图1.氧还原反应中双电子和四电子路径示意图

图2.氧还原反应的密度泛函理论预测结果

图3.光物理特性和双电子氧还原反应选择性测量

图4.氧还原反应表面反应动力学的光谱分析和选择性机制的示意图

图5.论文关键信息

过氧化氢作为重要的化工原料，在环境污染治理、消毒等领域应用广泛。然而，其传统蒽醌法生产工艺能耗高，且产生有机废物，因此亟需开发高效绿色的生产技术。光驱动双电子氧还原反应（ORR）是一种具有良好发展前景的过氧化氢绿色生产新途径，但基于常规催化剂的双电子反应过程存在四电子竞争反应，影响过氧化氢的产率（图1）。为解决这一问题，北京市科学技术研究院资源环境研究所（以下简称“资环所”）张忠国研究员团队与澳大利亚昆士兰大学张西旺教授团队联合提出了一种创新性的催化剂设计理念，即通过调控催化剂活性单元的原子排布和电子密度优化氧气在催化剂表面的吸附行为，进而增强双电子路径的选择性。

研究团队首先采用密度泛函理论（DFT）对聚氮化碳（PCN）、锂-聚三嗪亚胺（Li-PTI）及钠-聚七嗪亚胺（Na-PHI）等三种不同结构的碳氮化合物的氧气吸附行为和氧还原过程进行了模拟计算，发现氧气与Na-PHI以端连模式吸附，吸附强度适中，倾向于双电子还原路径(图2)。实验结果证实了这一重要发现，其中Na-PHI的过氧化氢产率达到了3.48 mmol g⁻¹ h⁻¹，分别是PCN和Li-PTI的33倍和9.2倍（图3）。研究团队进一步采用光谱技术探究了氧气在各催化剂表面反应的过程，揭示了Na-PHI的七嗪结构和适中的电子密度使氧气表现出倾向双电子反应路径的吸附行为（图4）。

这一成果为新型高性能光催化剂的设计提供了新视角，将推动过氧化氢绿色生产技术的发展。通过与芬顿技术联用，该技术能够实现过氧化氢的即时生产与原位利用，免除过氧化氢运输、存储成本及安全隐患，为水体中有机污染物的高效降解提供安全低碳的解决方案。

该工作以“Unveiling O₂ Adsorption on Non-metallic Active Site for Selective Photocatalytic H₂O₂ Production”为题发表于催化领域国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（中科院一区TOP期刊，影响因子20.2)（图5）。资环所与昆士兰大学联合培养的博士生杨金帝为论文第一作者，张忠国研究员、张西旺教授和昆士兰大学曾祥康博士为论文共同通讯作者。本工作得到了北京市科学技术研究院创新工程项目资助。

(北京市科学技术研究院资源环境研究所 文/图)