近日，上海大学岳东亭副研究员团队在光催化合成H2O2研究方面取得重要进展。他们成功构建了一种新型光催化剂——APF-GQDs（石墨烯量子点负载氨基苯酚甲醛树脂），在模拟太阳光照射下，该催化剂在纯水+饱和O？体系中，3小时H2O2产率高达2934 μmol·g-1，表现出优异的光催化性能。更令人惊喜的是，其表观量子效率（AQE）高达12.9%（420 nm），太阳能到化学能转换效率（SCC）达到1.14%，远超大多数现有光催化剂，该成果以“Assembling Graphene Quantum Dots on Aminophenol-formaldehyde Resin towards Efficient Artificial Photocatalytic Hydrogen Peroxide Synthesis”发表于《Journal of Materials Chemistry A》期刊上。该工作在原位红外实验设计、数据收集和处理过程中得到了BL01B线站工作人员的支持。
利用无金属催化剂生产人工光催化过氧化氢（H2O2）作为无机光催化剂的替代策略，由于其经济性、高稳定性和安全性而受到越来越多的关注。酚醛树脂作为一种非金属有机聚合物，具有优异的机械强度、耐酸性和热稳定性。石墨烯量子点（GQDs）作为一种有前途的零维材料，具有丰富的氧功能基团、可调谐的带隙、强可见光吸收和优异的光稳定性，能够与光催化剂结合，增强光催化性能。因此，本研究通过缩合和聚合过程将GQDs组装到氨基苯酚甲醛树脂（APF）中，形成APF-GQDs，并能催化水氧化反应和氧还原反应生成H2O2。在GQDs的帮助下，APF-GQDs表现出比原始APF更强的光吸收能力、更窄的激子解离带隙，光电子的分离和转移效率更高，大大促进了H2O2的合成（420 nm的表观量子效率为12.9%，太阳能到化学能转换效率达到1.14%）。
图1 (a) APF-GQDs的合成过程，(b) APF-GQDs的SEM，(c) TEM, (d)和(e) HRTEM图像，(f) APF-GQDs的化学结构，(g) GQDs的拉曼光谱，(h) APF和APF-GQDs的FTIR光谱（黑色曲线）和APF-GQDs（红色曲线），(i) C 1s的高分辨率XPS光谱。
传统光催化研究往往依赖终产物的定量分析，难以直接观察反应过程中的分子变化。而时间分辨原位红外结合衰减全反射（ATR）技术能够在反应进行时实时跟踪催化剂表面的吸附物种变化，从而揭示H2O2合成的动态机理。ATR模式下，将APF-GQDs均匀填充至4 mm厚、包含10次反射ZnSe晶体的水平ATR （HATR）槽板内进行原位分析。红外光在催化剂表面穿透纳米至微米级的深度，使得测试结果更加聚焦于催化剂的活性中心，这使得APF-GQDs的电子转移行为、O2活化路径以及H2O2生成过程的特征信号得以清晰展现。研究团队利用原位红外（in situ FTIR）结合水平衰减全反射（HATR）技术，揭示了APF-GQDs优异性能的深层机理，探究其氧还原途径（ORR）生成过氧化氢的中间态物质变化。通过位于1098 cm-1的˙O2？和1305 cm-1的˙OOH振动吸收峰的捕获，进一步证实了2电子转移的ORR路径机理（图2）。
图2 （a）APF作用下的H2O2产率（b）H2O2光合成过程中APF-GQDs的原位ATR-FTIR光谱（c）O2？在10分钟光照射下通过EPR捕获检测（d）GQDs修饰的APF光催化产H2O2机理图
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d4ta08165j/unauth#fn1
