一种可以从氧气和水产生过氧化氢的光催化剂

过氧化氢(H2O2)是一种无色液体化合物，具有强氧化性，可用于多种工业和医疗应用。该化合物一般通过蒽醌法合成，化合物蒽醌与钯基材料结合，催化二氢(H2)与空气中的O2氧化成H2O2。

H2O2理论上也可以通过光催化合成，光催化是一种化学反应，需要通过添加催化剂使元素发生反应来吸收光。然而，这很难使用现有的催化剂可靠地实现，这些催化剂可能对阳光反应较弱，需要牺牲试剂或在反应过程中活性不够。

江南大学和清华大学的研究人员最近推出了一种新型光催化剂，可用于通过光催化仅从H2O和O2可靠地生产H2O2。这种光催化剂发表在NatureEnergy的一篇论文中，它基于自组装四(4-羧基苯基)卟啉，一种有时用于分析或去除金属的化合物。

“光催化H2O2生产只需要H2O、O2和阳光，这被认为是工业蒽醌法的一种有前途的替代方法，”进行该研究的研究人员之一潘成思告诉TechXplore。“然而，由于117kJmol−1的高吉布斯自由能，大多数光催化系统需要牺牲试剂(例如EtOH、IPA)来产生大量的H2O2。自2018年以来，我们小组一直致力于开发一种光催化剂无需牺牲试剂即可连续产生H2O2。”

在他们之前的一项工作中，潘和他的同事测试了磷酸铋(BiPO4)作为光催化剂生产H2O2的潜力。虽然他们的结果很有希望，但他们发现BiPO4仅对紫外线有反应，这限制了它的使用并阻止了基于太阳能的应用。因此，在他们的新研究中，他们着手评估另一种基于窄带隙四(4-羧基苯基)卟啉超分子(TCPP)的光催化剂。

“我们采用自组装的四(4-羧基苯基)卟啉纳米片(SA-TCPP)来实现所需的活性，”潘解释说。“这种材料是通过将商业散装TCPP溶解在NaOH中，然后加入HCl制备的。对于H2O2生成实验，将一定量的SA-TCPP添加到仅含有水和O2气泡的玻璃瓶中。”

为了评估他们的光催化剂的活性，Pan和他的同事使用太阳模拟器在空气质量1.5光谱(AM1.5G)下用溶液照射玻璃瓶，然后在353K的高温下加热它。在最初的测试中,SA-TCPP光催化剂在940nm处表现出1.1%的近红外波长量子效率和ca的高太阳能-化学转化效率。1.2%。

“受到这些结果的鼓舞，我们在实验室制造的流动反应器中评估了光催化剂，结果H2O2积累浓度约为1.1wt%，接近商业水平(3wt%)，这是第一个通过光催化方法产生商业水平的H2O2的例子，”潘说。

“然后我们还发现SA-TCPP可以通过O2还原和H2O氧化的双重途径产生H2O2，这是与大多数先前报道的光催化剂相比的独特特性。值得注意的是，我们观察到-COOH的引入可以通过转化为-CO3H基团来帮助H2O氧化途径，然后进行热水解。”

这组研究人员进行的初步测试结果非常有前途，突出了他们提出的光催化剂对于利用太阳光大规模生产H2O2的价值。将来，他们的工作可以为其他有机光催化剂的设计提供信息，这些催化剂可以实现更高的太阳能效率，从而实现H2O2的非牺牲生成。

“我们现在计划探索未来工作的两个潜在领域：我们的光催化剂与光热转换材料的整合，以及反应器的重新设计以实现超出实验室规模的增加产量，”潘补充道。

“通过将我们的光催化剂与光热转换材料相结合，我们可以仅通过光照射来提高其局部温度，减少我们当前论文中报道的对外部热源的需求。此外，我们的目标是开发一种可扩展的H2O2原型设备通过优化反应器设计和反应参数，使用SA-TCPP仅使用空气、H2O和阳光进行生产。”