复旦张立武EES:提高两个数量级!微滴高效光催化产生H2O2

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太阳能驱动的生产过氧化氢(H2O2)是解决能源和环境危机的一种有前途的方法,但是光合作用制取H2O2仍然受到电子-空穴分离效率(ηsep)不足和半导体/溶液界面电荷转移效率(ηtrans)缓慢的限制。

基于此,复旦大学张立武研究员(通讯作者)等人报道了首次以g-C3N4纳米片(CNNS)为代表,研究了微液滴中光催化生成H2O2,其具有合适的能带结构、对2e- ORR的高选择性和含量丰富的优点。测试结果表明,微液滴光催化具有超高的H2O2析出速率(20.6 mmol gcat−1 h−1),对比相应的块体相,性能提高了两个数量级。

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通过密度泛函理论(DFT)计算,作者研究了光催化2e--ORR在微液滴空气-水界面(AWI)附近和本体溶液中的吉布斯自由能变化(∆G)。

可能由于不同的溶剂化效应(部分溶剂化与完全溶剂化),微滴空气-水界面和本体溶液之间*-OOH中间体的配位结构不同。更重要的是,在本体溶液中*-OOH还原成H2O2的∆G为1.25 eV,而在微滴的AWI下为0.97 eV。

因此,光催化2e--ORR过程在微滴AWI时更具热力学优势,将进一步增强反式和加速H2O2光合作用。

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在较小的微液滴中,光催化分解H2O2的速度更快。在AWI处DEH2O2的反应速率高于微液滴内部,证实了在AWI处的光催化反应速率更快,可能是由于超高的界面电场和界面的部分溶剂化作用。同时,微滴空气-水界面和内部区域的差异随着微滴尺寸的减小而缩小,这是因为随着微滴尺寸的减小,微滴内部AWI区域的百分比和电场强度增大。

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Highly Efficient Photocatalytic H2O2 Production in Microdroplets: Accelerated Charges Separation and Transfer at Interface. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D2EE03774B.

https://doi.org/10.1039/D2EE03774B.



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