过氧化氢（H₂O₂）是一种重要的化工原料，作为一种绿色环保的强氧化剂，广泛应用于化工合成、造纸、纺织印染、污水处理、燃料电池等领域。近年来，随着我国电子产业的迅速发展，半导体产业向国内转移，用于清洗和蚀刻大型集成电路和半导体的高纯电子级过氧化氢的需求也迅速增加。然而，工业上制备过氧化氢的方法主要为蒽醌法，在生产过程中需要使用贵金属催化剂，并伴随着大量废水和废气的排放。因此，如何通过廉价、绿色的手段来生产过氧化氢具有巨大的研究价值。

光催化材料对O₂分子的吸附类型是影响光催化氧还原生成H₂O₂性能的关键因素。一般来说，端对型Pauling-type吸附可以最小化O-O键断裂，抑制四电子氧还原（4e^--ORR）生成H₂O的反应，促进两电子氧还原（2e^--ORR）生成H₂O₂。然而，传统的石墨相氮化碳材料（g-C₃N₄）通常具有侧对型Yeager-type O₂吸附构型，这导致O-O键易断裂，严重阻碍H₂O₂的生成。因此，该研究合成了一种富氧空隙的TiO_2-x/g-C₃N₄ 阶梯型（S-scheme）异质结，以调节氧吸附构型，提高H₂O₂生成的2e^- ORR 选择性。原位X射线光电子能谱（in-situ XPS）和密度泛函理论（DFT）计算表明，S型异质结是在TiO_2-x和g-C₃N₄之间形成的。两者费米能级的差异导致电子从g-C₃N₄流向TiO_2-x，从而增加了g-C₃N₄ 中的缺电子位点。氧气吸附构型从Yeager-type调整为Pauling-type，抑制了g-C₃N₄表面O-O键的裂解。因此，TiO_2-x/g-C₃N₄ 梯型异质结的光催化产H₂O₂速率显著提高，达到1780.3 μmol h^-1，是原始g-C₃N₄的5倍。这项工作为通过合理设计S型异质结光催化剂来调控氧吸附构型开辟了一条新途径。

该研究以“Pauling-type adsorption of O₂ induced by S-scheme electric field for boosted photocatalytic H₂O₂ production”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》（中科院一区，影响因子10.9）上，接收日期为2024年2月5日。深圳技术大学为第一完成单位，新材料与新能源学院周双助理教授和2020级研究生温达为论文的共同第一作者，孟爱云副教授、苏耀荣教授以及中国地质大学（武汉）的张建军博士为共同通讯作者。

全文链接：Pauling-type adsorption of O2 induced by S-scheme electric field for boosted photocatalytic H2O2 production - ScienceDirect

图1：(a) 催化剂表面吸附O₂的结构示意图。(b) g-C₃N₄和TCN7上的O₂吸附能。(c) 计算得出的g-C₃N₄和TCN7结构上的O₂吸附模型及其相应的差分电荷密度。