近日，吉林大学材料科学与工程学院崔小强教授团队在人工光合成过氧化氢（H2O2）领域取得重要突破。研究团队通过Cu和O原子对Zn3In2S6（ZIS）进行双氧化还原位点调控，成功引入氢自由基（H•）介导的H2O2合成路径，有效突破了传统质子耦合电子转移（PCET）过程的动力学限制。相关研究成果以“Hydrogen Radicals Enable an Alternative Kinetic Pathway for H2O2 Photosynthesis through Dual Redox Site Regulation of Proton-Coupled Electron Transfer”为题，发表于材料领域顶级期刊《Advanced Materials》。
H2O2作为一种环境友好的氧化剂，在工业合成、环境修复和生物医药等领域有着广泛的应用需求。当前工业H2O2生产主要依赖蒽醌法，该过程能耗高、有机废物排放量大且CO2排放显著，与绿色可持续发展目标相悖。光催化技术利用太阳能将水和氧气直接转化为H2O2，为实现碳中和提供了极具前景的替代方案。光催化合成H2O2主要通过氧还原反应（ORR）路径进行，该过程涉及两步质子耦合电子转移（PCET）。其中，第二步PCET过程中*OOH中间体的转化往往面临严重的动力学限制，成为制约H2O2合成效率与选择性的关键瓶颈。目前多数研究通过增强质子通量或加速电子与质子向活性位点的耦合转移来促进这一过程，但未能从根本上突破ORR路径的内在动力学约束。
针对上述挑战，研究团队提出了一种创新策略：利用氢自由基（H•）作为活性中间体，为*OOH中间体的转化提供一条区别于传统PCET路径。该策略通过在Zn3In2S6中进行Cu和O原子的双氧化还原位点调控得以实现。Cu掺杂增加了Zn–S层中的空穴密度，加速了水氧化动力学并为氧还原提供了界面质子，而O的掺入则调控了In–S层的电子结构，促进了电子传输，增强了O2活化能力，并削弱了质子与S位点之间的相互作用。
研究表明，Cu原子以二价形式优先占据Zn–S层中的Zn位点，而O原子则占据In–S层中因高温硫溢出留下的空位。这种空间差异化的掺杂方式促进了载流子的定向分离与迁移。得益于上述协同设计，优化后的O/Cu-ZIS催化剂在纯水中实现了167.1 µmol g-1 min-1的光催化H2O2成速率，超越了大多数已报道的光催化剂。该催化剂在多种水体中均表现出优异的H2O2生成性能，且具有良好的循环稳定性和应用潜力。
本研究首次在无机光催化体系中证实了H•作为活性中间体参与H2O2合成，为通过双氧化还原位点工程设计高效光催化剂、调控PCET过程提供了新策略。
吉林大学材料科学与工程学院博士生丁春生、香港城市大学阮晓文研究员为论文共同第一作者。吉林大学崔小强教授、香港城市大学Sai Kishore Ravi教授、清华大学朱永法教授和中国地质大学（北京）黄洪伟教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林省科技发展计划、香港城市大学、香港研究资助局的资助。
论文详情：Chunsheng Ding, Xiaowen Ruan, Qiwen Su, Jing Leng, Minghua Xu, XiangXiang Zhang, Bonan Li, Lin Wang, Zhaoke Zheng, Hongwei Huang Sai Kishore Ravi, Yongfa Zhu*, and Xiaoqiang Cui. “Hydrogen Radicals Enable an Alternative Kinetic Pathway for H2O2 Photosynthesis through Dual Redox Site Regulation of Proton-Coupled Electron Transfer”.
Adv. Mater. (2026): e74500.
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74500
