昆明理工潘學軍團隊Appl. Catal. B.: Na-K雙位點協同促進g-C?N?電子離域實現無曝氣合成H?O?

第一作者：龍娟

通訊作者：楊貴、曹少文、潘學軍

通訊單位：昆明理工大學

論文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127026

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過氧化氫（H2O2）的綠色合成是可持續化學的重要目標，但傳統光催化合成H2O2通常依賴于外部曝氣供氧，能耗巨大。本研究報道了一種同時引入氰基（–C≡N）、氮空位（N-vacancies）和Na-K雙活性位點的超薄納米片（CN-Na-K），該催化劑在自然氧（無需曝氣）條件下，通過協同促進電子離域、加速電荷分離與傳輸，并激活雙通道反應路徑（氧還原反應ORR和水氧化反應WOR），實現了高效的H2O2光合作用。在LED燈和氙燈下，H2O2產率分別高達1260.03 μmol·g–1·h–1和4739.89 μmol·g–1·h–1，為節能、高效的H2O2生產提供了新范式。相關成果以“Synergistic Na-K dual active sites on ultrathin g-C3N5 nanosheets boost electron delocalization for natural-oxygen-condition H2O2 photosynthesis”為題，于2026年5月26日發表于環境與能源催化領域國際權威期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。

背景介紹

H2O2是化工、環保、生物醫療領域的關鍵化學品，也被視為潛在的綠色能源載體，全球年需求量超過500萬噸且逐年增長。目前，工業上主要采用“蒽醌法”生產，然而該工藝依賴高溫高壓條件，能耗高且伴隨大量有毒副產物的生成。基于H2和O2的熱催化法雖然更為綠色，但因依賴貴金屬催化劑（如鈀）以及操作復雜、安全風險較高等因素，限制了其大規模推廣。

光催化利用太陽能驅動，以H2O和O2合成H2O2是一種環境友好的替代方案，但通常面臨兩大挑戰：一是熱力學不利的WOR路徑難以實現，二是整個過程嚴重依賴外部氧氣曝氣，能耗占整個系統能耗的35%-51%，限制了其實際應用。因此，開發一種能夠在自然氧條件下，同時利用水和氧氣高效合成H2O2的光催化劑迫在眉睫。g-C3N5因其富電子特性、合適的能帶結構和豐富的氮原子，在H2O2生產中展現出潛力，但本征材料存在光生載流子復合嚴重的問題。

本文亮點

1、多缺陷協同工程：采用熔鹽輔助結晶調控策略，在超薄g-C3N5納米片上同時構建了氰基、氮空位和Na-K雙活性位點，實現了多種功能位點的協同。

2、高效電子離域與傳輸：氰基作為電子泵構建內建電場促進電荷分離；氮空位打破結構局域化，增強π電子離域，形成載流子傳輸的高速通道；超薄結構（~3.55 nm）極大縮短了電荷遷移距離。

3、無曝氣高效雙通道合成：Na-K雙位點扮演了獨特的催化中心角色（Na+作為強電子阱捕獲電子，K+促進激發態電子生成并穩定空穴），協同驅動ORR和WOR關鍵中間體（*O2, *OOH, *OH）的形成，實現了高效的無曝氣H2O2生產。

4、優異的實際性能：在自然氧條件下表現出卓越的H2O2產率和循環穩定性，并能利用原位產生的H2O2高效降解多種有機污染物，展示了實際應用潛力。

圖文解析

圖1. 超薄CN-Na-K結構及原子級分散表征

要點：

1、合成路徑與形貌演化：通過熔融鹽輔助策略，成功將塊狀前驅體（BCN）剝離為超薄納米片（CN-Na-K），實現了從厚層到薄層分散的形貌重構（圖1a-b）。

2、原子級雙位點確認：HAADF-STEM圖像中清晰可見高分散的亮斑（Na/K單原子），結合元素面掃，證實了Na、K在g-C3N5骨架上的原子級錨定，無金屬團簇形成（圖1c）。

3、厚度量化：AFM統計顯示CN-Na-K厚度僅約3.55 nm（約為原始CN的1/4）。這種超薄結構極大縮短了載流子從體相到表面的遷移路徑（圖1d-g）。

圖2. 晶體結構與電子泵調控機制

要點：

1、骨架完整性保留：XRD僅顯示g-C3N5特征峰，無雜相，表明引入Na/K未破壞主體結構，但通過熔鹽處理顯著提升了結晶度（圖2a）。

2、關鍵官能團（–C≡N）引入：FTIR與XPS在2173 cm–1和286.5 eV處捕獲到–C≡N特征信號。通過–C≡N的強吸電子效應建立了內建電場（IEF），驅動光生電子定向分離（圖2b）。

3、電子結構微調：13C NMR證實heptazine單元保留，增強了n→π*電子躍遷，拓寬了光吸收范圍。

圖3. 電荷分離與載流子傳輸動力學

要點：

1、缺陷態介導的電荷捕獲：EPR信號證實N-vacancy的存在，其作為電子陷阱和高速通道，顯著延長了載流子壽命（TRPL），抑制了體相復合。

2、表面電勢與電子流向：KPFM顯示CN-Na-K表面電勢更高，結合fs-TAS超快光譜，證實光生電子通過–C≡N的泵送作用，優先富集于Na-K雙位點，實現了空間電荷分離。

圖4. 無曝氣高效產H2O2性能與雙通道機理

要點：

1、突破性無曝氣性能：在自然pH、無外部通氣條件下，CN-Na-K在LED和Xe燈下分別實現1260.03 μmol·g–1·h–1和4739.89 μmol·g–1·h–1的H2O2產率，遠超對比樣。連續流實驗證明其在實際環境應用中的穩定性（圖4a-d）。

2、活性物種鑒定：捕獲劑實驗表明，?O2?和h+是主要活性物種。同位素標記實驗結合原位DRIFTS檢測到*OOH中間體，證實ORR和WOR的貢獻比為4:1（圖4e-f）。

3、雙通道反應路徑：不同于傳統單一ORR路徑，該體系通過Na-K位點同時激活ORR和WOR，實現了雙通道高效合成的H2O2。

圖5. 理論計算揭示雙位點協同機制

要點：

1、電子離域與吸附調控：ELF和差分電荷密度顯示，Na-K雙位點作為電子匯聚中心，顯著降低了O2的吸附能，并優化了*OOH中間體的吸附強度（圖5a-c）。

2、反應能壘計算：DFT計算表明，兩者協同將決速步能壘降至0.60 eV左右，使室溫下的高效熱力學過程成為可能（圖5d-e）。

3、全反應機理圖：氰基和氮空位構建電荷傳輸通道，Na-K雙位點分別調控電子與空穴動力學并催化關鍵中間體生成，共同驅動ORR和WOR雙通道反應，實現高效無曝氣H2O2合成（圖5f）。

總結與展望

本研究為H2O2的無曝氣光催化合成提供了新的多組分協同作用機制，打破了傳統光催化對高能耗曝氣的依賴，為開發節能高效的綠色H2O2生產技術開辟了新思路。這一設計策略有望在環境治理、清潔能源、精細化工等領域產生重要影響。

文獻信息

Juan Long, Gui Yang, Yang Wu, Lin Wang, Yawen Xiao, Shiping Zhang, Huachao Che, Juhong Zhan, Xiaoyong Wu, Bin Huang, Fengzhi Jiang, Shaowen Cao, Xuejun Pan*, Synergistic Na-K dual active sites on ultrathin g-C3N5 nanosheets boost electron delocalization for natural-oxygen-condition H2O2 photosynthesis, Applied Catalysis B: Environment and Energy, 398, 2026, 127026.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127026

課題組和作者介紹

Pan's Group 成立于2006年，目前有教師20人，研究生100余人。團隊負責人潘學軍教授目前擔任昆明理工大學黨委常委、副校長，云南省新污染物防治創新團隊主任、云南省新污染物防治工程研究中心主任、云南省新污染物治理專家委員會常務副主任等職務。此外，潘學軍教授還擔任中國環境科學學會持久性有機污染物專業委員會委員、中國環境科學學會水處理與回用專業委員會常務委員等社會職務，獲得過云南省“興滇英才支持計劃”產業技術領軍人才、云南省首屆百名海外引進人才、云南省中青年學術和技術帶頭人等稱號。

團隊圍繞國家和云南的新污染物研究和治理需求，形成以下四個研究方向：（1）新污染物區域污染特征及環境行為；（2）新污染物生態環境風險與健康評價；（3）新污染物治理與裝備技術研發；（4）新污染物治理能力提升及管理機制。團隊工作旨在響應“重視新污染物治理”國家政策，落實《新污染物治理行動方案》的工作部署，為云南省建立完善的新污染物管理體系提供數據基礎和科技支撐，為云南地區培養針對新污染物的前瞻性研究團隊。

課題組主頁：https://pansgroup.kust.edu.cn/

龍娟，昆明理工大學環境科學與工程學院2023級碩士研究生。主要從事環境功能材料制備和高級氧化技術處理新污染物性能和機制研究。以第一作者身份在Applied Catalysis B: Environment and Energy期刊上發表SCI論文2篇。

楊貴，昆明理工大學環境科學與工程學院校聘教授，長期圍繞納米功能材料降解新污染物的研究開展工作。目前在Applied Catalysis B: Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Colloid and Interface Science、Separation and Purification Technology、Inorganic Chemistry Frontiers等國內外知名期刊發表論文42篇，其中SCI一作和通訊12篇，文章總被他引1063次，單篇最高被引148次，引用次數>50的文章6篇。

曹少文，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室研究員、博士生導師、國家級高層次人才。全球高被引科學家；國家科技獎通訊評審專家。在Joule, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等國內外高質量學術期刊上發表論文130余篇，他引18000余次，H因子65。獲授權專利10余項。撰寫中文專著3章、英文專著3章。擔任中國感光學會青年理事、光催化專業委員會委員，《Interdisciplinary Materials》學術編輯，《催化學報》、《中國科學.材料》、《InfoMat》、《Transactions of Tianjin University》和《Chinese Journal of Structural Chemistry》青年編委。

潘學軍，昆明理工大學環境科學與工程學院二級教授，博士生導師，云南省新污染物協同治理及風險防控重點實驗室，云南省新污染物防治工程研究中心主任，云南省新污染物防治創新團隊負責人，云南省高校水污染控制技術及應用工程研究中心主任，現任昆明理工大學黨委常委、副校長，曾任科學技術院院長兼先進技術融合創新辦公室主任，環境科學與工程學院黨委書記、副院長。中國環境科學學會水處理與回用專業委員會常務委員、持久性有機污染物專業委員會委員，《環境化學》、《土木與環境工程學報》編委，云南省首屆百名海外引進人才（云嶺學者）、云南省興滇英才支持計劃“產業創新人才”，云南省中青年學術和技術帶頭人，云南省環境標準化技術委員會委員，云南省土木建筑學會市政工程專業委員會副主任委員，云南省第二次全國污染源普查專家咨詢委員會主任委員。在國內外公開發表論文290篇，其中第一作者和通迅作者184篇，201篇被SCI收錄，其中中科院分區：1區67篇，二區59篇，總影響因子1273，被SCI期刊總計引用6157次（他引總計5647次），其中單篇引用高達418次，H因子55，EI收錄36篇，B類核心53篇。授權發明專利33項，實用新型專利7項。

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