聚合物半导体光催化合成过氧化氢:光氧化还原中心的空间分离和协同利用

以地表丰富的水和/或氧气为原料,以太阳能为能量来源的光催化合成过氧化氢是面向碳中和的一个颇具吸引力的路径。近年来,以能带、活性位点、组成等可调的聚合物半导体为光催化剂,开展光合成过氧化氢的研究进入了新的高峰期。当前,该研究主要面临两大关键挑战:1)由于材料性质固有的限制,光氧化还原中心通常难以分离,导致光生电荷复合严重,使得光催化合成过氧化氢的活性较差;2)氧化还原中心的利用率低,多数情况下,只有氧化端或还原端参与过氧化氢的合成,另一侧则与牺牲剂反应消耗。对此,本文聚焦光氧化还原中心的空间分离和协同利用来阐述聚合物半导体光催化合成过氧化氢的最新进展。光氧化还原中心空间分离的关键是在聚合物中设计电子给体和供体单元,例如在聚合物框架中引入原子级金属,构建金属-有机给吸电子体系,或构建全有机给吸电子体系。根据氧化还原中心的光催化行为,协同利用主要分为以下三种模型:1)氧还原耦合有机分子氧化;2)水氧化耦合有机分子还原,3)氧还原耦合水氧化。在此基础上,本文详细探讨了针对上述两个关键挑战的调控模式、特性、催化机制和反应途径。最后,我们阐述了光催化合成过氧化氢的潜在应用,并展望了光催化合成过氧化氢中理性设计氧化还原中心协同利用模式的机遇和挑战。