Photocatalytic H2O2 Generation Reaction with a Benchmark Rate at Air‐Liquid‐Solid Joint Interfaces

光催化 材料科学 氧气 轨道能级差 扩散 反应速率 溶解度 分子 化学工程 纳米技术 物理化学 催化作用 有机化学 化学 热力学 物理 工程类
作者
Shiwei Yan,Yong Li,Xinyue Yang,Xiaohua Jia,Jingsan Xu,Haojie Song
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
被引量:27
标识
DOI:10.1002/adma.202307967
摘要

Abstract The rapid charge recombination, low selectivity for two‐electron oxygen reduction reaction (ORR), and limited O 2 diffusion rate hinder the practical applications of photocatalytic H 2 O 2 generation. Herein, a triphase photocatalytic system in which the H 2 O 2 generation occurs at the air‐liquid‐solid joint interfaces is developed, using polymeric carbon nitride (PCN). The introduction of pyrrole units and cyano group into PCN can promote the activation of oxygen molecules and facilitate the spatial separation of HOMO and LUMO orbits, hence improving the charge carrier separation efficiency and enhancing the formation of H 2 O 2 . Importantly, the gas‐liquid‐solid triphase interface system allows for the rapid transport of oxygen from the air to the reaction interface, overcoming the low solubility and slow diffusion of oxygen in the water in conventional liquid reaction systems. The triphase system shows a benchmark H 2 O 2 generation rate over PCN‐based materials in pure water (2063.21 µmol g −1 h −1 ), which is an approximate tenfold enhancement as compared to powder photocatalyst (215.44 µmol g −1 h −1 ). Simulation and electrochemical tests reveal that the rapid oxygen diffusion rate of triphase interface can promote charge separation and provide more O 2 to generate H 2 O 2 . This work provides a promising strategy for constructing an efficient and sustainable H 2 O 2 production system.
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