從純水中生產過氧化氫（H2O2）是一種安全且環境可持續的合成策略，能有效避免復雜工藝帶來的能耗增加和環境損害。在過去的十年里，人們對太陽能驅動的半導體光催化劑進行了廣泛的研究，其中石墨氮化碳（g-C3N4) 由于其對氧還原和氧化反應的最佳能帶排列，再加上從地球豐富的前體中輕松合成，它變得特別有前景。然而，GCN光催化生產H2O2仍然受到兩個基本限制的約束，即光生電子-空穴對的快速復合和動力學上緩慢的氧還原活性位點。最近的研究表明，GCN具有本征壓電性，其在三-s-三嗪層中的非中心對稱孔賦予了它靈活性和面內壓電性。為了進一步提高活性，人們已經做出了許多改性來提高GCN的催化活性，包括形態調制、元素摻雜、異質結的構建和金屬有機框架（MOF）等等，但是大部分的改性手段都過于復雜且成本較高，如何通過簡單的一步改性實現光催化和壓電催化活性的雙重增強是具有非凡意義的，盡管這是一個重大的挑戰。
近日，江蘇科技大學郭峰/施偉龍課題組基于前期在壓電材料和光催化領域的積累，通過簡單的一步碳摻雜，開發了一種光激活壓電C-GCN催化劑，用于在缺氧條件下純水中高效合成H2O2。其中，簡單的一步碳摻雜同時增強了GCN的光吸收能力和壓電響應，共同促進了載流子的遷移和分離，而超聲誘導的壓電場降低了反應障礙，從而提高了催化活性。在同時光照和超聲條件下，C-GCN在純水中H2O2的產率達到了56.1μM/h的顯著水平。本研究提供了一種簡單直接的改性策略以及一種設計壓電輔助光催化體系催化劑的有前景的概念，旨在通過簡單改性并利用催化劑的本征壓電性進一步提高其催化活性。
該工作以“Photo-activated piezoelectric-catalyzed hydrogen peroxide production in pure water by carbon-modified graphitic carbon nitride”為題發表在《化學工程雜志》（Chemical Engineering Journal 520 (2025) 165829）。2023級碩士生郭梓軒為該論文第一作者，郭峰/施偉龍副教授為通訊作者。本研究通過簡單的一步碳摻雜和構建壓電輔助光催化體系，實現在純水無犧牲劑的條件下高效合成H2O2。
Fig.1 C-GCN催化劑的制備示意圖。
Fig.2 GCN和C-GCN的(a) XRD圖譜，（b）FT-IR光譜，（c）拉曼光譜。 GCN和C-GCN上（d）XPS測量光譜（e）C 1s和（f）N 1s的高分辨率XPS光譜。（g）固態核磁共振光譜。（h）N2吸附-解吸等溫線曲線和（i）GCN和C-GCN的孔徑分布。
Fig.3（a）GCN和（d）C-GCN的TEM圖像。（b）GCN和（e）C-GCN的AFM高度傳感器圖像。（c）GCN和（f）C-GCN的EDS光譜。GCN的PFM圖像：（g）振幅圖像和（h）相位圖像；C-GCN：（j）振幅圖像和（k）相位圖像。（i）GCN和（l）C-GCN的壓電滯后和蝶形環。
Fig.4（a）GCN和C-GCN的紫外-可見吸收光譜（插圖：GCN和C-GCN的對應Tauc圖）。（b）光照或黑暗中GCN和C-GCN的瞬態光電流和（c）EIS阻抗譜。（d）GCN和C-GCN的Mott-Schottky圖的2D偽彩色表示。GCN與C-GCN的（e）TPV光伏電壓曲線，（f）特征衰減時間常數（τ），（g）最大電荷提取時間（tmax）和（h）電荷提取率。（i）GCN和C-GCN的TRPL光譜。
Fig.5（a）不同條件下C-GCN的H2O2產生。（b）GCN和C-GCN的H2O2生產率。（c）GCN和C-GCN上的H2O2形成（Kf）和分解（Kd）常數。（d）氬氣鼓泡和苯醌添加對合成H2O2的影響。（e）C-GCN的?O2-自旋捕獲ESR光譜。（f）C-GCN的DFT計算O2的吸附行為。（g）在C-GCN催化劑上H2O2生產的循環穩定性（h）C-GCN與報道的最新壓電-光催化劑的活性比較。
Fig.6（a）C-GCN在黑暗和光照下的原位DRIFT光譜。（b）GCN和C-GCN處ORR步驟的自由能圖。
Fig.7 不同條件下C-GCN的催化機理：（a）光照；（b）超聲；（c）光照和超聲的共同刺激。（d）C-GCN上的光激活壓電催化系統示意圖。
總之，通過簡單的一部碳摻雜合成C-GCN納米片并構建光激活壓電催化體系，深入分析了C-GCN上壓電響應和光吸收之間的協同增強機制。在物理性能方面，碳改性增強了GCN的壓電響應，調整了能帶結構的排列，增加了載流子密度，而在光學性能方面，它改善了光吸收，促進了光生電荷的遷移。此外，C-GCN中的碳摻雜也充當O2的活性位點，以雙激發源方式促進表面反應，導致高效的光活化壓電催化H2O2產量為56.1 μM/h，是單獨光催化下GCN的4.3倍。這項工作提供了一種簡單而有前景的石墨氮化碳改性策略，以實現通過光輔助壓電催化的協同效應進行H2O2的高效生產。
文章信息：Z. Guo, H. Qin, P. Shan, B. Xiong, L. Wang, W. Shi,* Y. Sun,* F. Guo,* Photo-activated piezoelectric-catalyzed hydrogen peroxide production in pure water by carbon-modified graphitic carbon nitride, Chemical Engineering Journal 520 (2025) 165829.
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165829
