近日，江南大学董玉明/朱永法团队在光催化合成双氧水方面取得重要进展，研究成果“聚酰亚胺气凝胶通过光催化氧化还原循环的新路径高效合成双氧水”在Nature Communications发表。论文第一作者为博士研究生迟文文和董玉明教授，通讯作者为董玉明教授和朱永法教授。
利用有机半导体光催化剂进行人工光合成制备双氧水是一种绿色可持续的方法。然而由于两电子氧气还原反应缓慢的本征特性，光生电子还未与水中溶解氧接触就极其容易与空穴复合，严重限制了量子效率的提升；同时氧气还原过程包括两个竞争反应，即单电子路径（生成超氧自由基）和四电子路径(生成水)，降低了氧气还原为双氧水反应的选择性。这些问题导致了光催化制备双氧水的效率较低、难以满足应用需求。在绿色植物中，光生电子被氧化还原活性物种有效利用，降低了电子空穴复合和提高量子效率。因此，利用氧化还原中间体驱动氧气还原反应生成双氧水是理想的反应路径。
基于上述考虑，该论文设计了含有类蒽醌结构的聚酰亚胺气凝胶光催化剂用于高效光合成制备双氧水，并且揭示了阴离子自由基中间体介导的光催化氧化还原循环新路径。通过多种原位表征和理论计算，证实了中间体介导的氧化还原循环不仅加强了氧气的吸附，还降低了氧气还原为双氧水反应的能垒，从而显著提高整体反应活性。实现太阳能到化学能的转化效率为0.92%，在420±10 nm处的表观量子效率为14.28%。聚酰亚胺气凝胶宏观结构光催化材料结构性能稳定、易于加工，显示了良好的规模化应用潜力，面积为0.5平方米的自支撑聚酰亚胺气凝胶暴露于自然光照6小时，光合成H2O2能力可达34.3 mmol m2。
此外，近期该团队在光合成双氧水方面开展了系列工作，研制了多种有机半导体光催化新材料，在促进水分子高效氧化、增强氧气供给与还原、提升光生电荷分离效率等方面提出了新思路，在环境与能源催化领域具有重要的参考价值，相关论文在Nature Energy、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy等刊物发表。上述工作得到了国家自然科学基金等科研项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49663-6
图1：聚酰亚胺气凝胶的光催化性能和规模化制备双氧水的潜力
图2：论文发表标题部分截图
