第一作者：薛媛
通讯作者：廖光福，李庆
DOI：10.1016/j.actphy.2026.100311
(1) 基于分子工程设计具有电子捕获中心和O2吸附位点的氮化碳结构。
(2) 促进激子解离与电子寿命的协同增强。
(3) 吡啶环结构协同侧链官能团具有优异的电子迁移诱导效应。
(4) 载流子迁移动力学过程得到验证。
2026年5月，Acta Physico-Chimica Sinica杂志在线发表了湖北大学李庆副教授团队&福建农林大学廖光福团队在光催化领域的最新研究成果。该工作报道了一种以吡啶环作为电子陷阱的氮化碳体系。成功引入特定吸附位点(–C=O、–OH/–NH2)，构建了依赖于吡啶环的快速电子离域通道，有效促进了O2分子的活化，为氮化碳的定向分子工程设计提供了新范例。论文第一作者为：薛媛；论文通讯作者为：李庆副教授、廖光福教授。
过氧化氢(H2O2)作为一种高价值绿色能源载体，广泛应用于化学合成、医疗消毒及废水处理等领域。因此，随着市场需求的持续增长，具有潜在价值的H2O2合成技术具有重要意义。相较于传统蒽醌法工业合成H2O2，光催化技术利用几乎取之不尽的太阳能提供了更具可持续性的合成策略，其特点是反应条件更温和、能耗更低。然而该方法高度依赖于催化剂的本征特性，包括能带结构、活性位点及界面电荷动力学。因此，开发高性能光催化剂对推动H2O2合成技术的发展至关重要。目前，研究工作已开发出多种光催化剂，如金属有机框架(MOFs) 、共价有机框架(COFs)、石墨相氮化碳(g-C3N4)、聚合物树脂以及金属氧化物/硫化物等。其中，g-C3N4因其合成简便、化学稳定性优异及光响应特性突出而备受关注。值得关注的是，g-C3N4有限的活性位点阻碍了氧气(O2)吸附，而光生载流子的快速复合制约了H2O2的生成。鉴于g-C3N4可调的分子结构，在其框架边缘引入有机官能团可调控能带结构、电荷分离转移性能及O2活化能力，这是进一步提升其光催化性能的有效策略。因此，定向引入电子捕获基团是调控电荷分离的最简单有效策略。
实验样品通过热聚合及酰胺化反应制备。SEM和TEM的结果表明，原始氮化碳（PCN）呈现聚集块状堆叠结构，而官能团修饰后的样品N-CN、HN-CN和AN-CN则表现为直径约5μm的中空蓬松六棱柱管状结构。通过XRD、FTIR、XPS以及固体13C NMR测试表明三种改性材料的官能团接枝仅发生在PCN表面且引入量极低。
图1 样品合成示意图、形貌及基本结构
在可见光照射下，N-CN、HN-CN和AN-CN相较于PCN均展现出显著提升的光催化H2O2产率。其中N-CN和HN-CN分别达到PCN的3.6倍和5.8倍，而AN-CN更是实现了2798 μmol g−1 h−1的卓越活性，较PCN提升8.7倍，反应过程中催化剂浓度恒定为1 mg mL−1。
图2 样品的光催化产H2O2性能测试
N-CN、HN-CN和AN-CN体系中激子寿命显著的缩短，表明吡啶环结构与官能团(‒OH/‒NH2)协同促进激子解离。同时，催化剂适宜的带隙位置从热力学上确保了2e‒ ORR反应的可行性。
图3样品的光电性能
时间常数τ1和τ2分别可以看出，相较于N-CN和HN-CN，AN-CN展现出更长的载流子寿命及平均寿命，这能诱导长寿命浅层电荷捕获，提升光生电子利用率，增强光电子密度并改善光催化性能。
图4 样品的飞秒-纳秒时间尺度上的瞬态吸收（TA）光谱信号
吡啶环/‒C=O诱导电子从三-s-三嗪单元向吡啶环迁移，从而提升电荷-空穴分离效率。额外‒OH基团与‒NH2在过程中与吡啶环的协同效应产生了超越纯吡啶环体系的载流子迁移驱动力，进而促进光催化H2O2生成，此外，‒NH2中的孤对电子作为给体，通过π–π*堆积作用向PCN导带注入电子，构建了额外电荷转移通道。这些结果证实，结构中的电荷差异形成了内置电场，有效促进了电荷-空穴分离。
图5 样品的原位漫反射红外傅里叶变换光谱、静电势及前线轨道分布
AN-CN的S0→S25跃迁表现出显著D指数值，明确指示电荷转移激发特征。这一结论通过空穴-电子等值面可视化得到验证：粉色与蓝色等值面的质心呈现空间分离。而其它电子跃迁的质心则紧密重叠，证实其局域激发特性。这表明‒NH2键合产生的强电子共轭效应可进一步提升吡啶环的电子密度，从而促进光生载流子分离。
图6 N-CN, HN-CN 和 AN-CN样品的电荷转移机制及电荷密度
本研究表明，通过向氮化碳骨架中引入具有活性位点的电子陷阱，可实现高效的光催化H2O2生成。采用一步合成策略将生物相容性烟酸衍生物共价固载于管状氮化碳上，该修饰能协同促进激子解离并强化O2吸附，从而在温和条件下可实现清洁能源载体H2O2的高效光催化合成。值得注意的是，本研究系统比较了不同官能团与吡啶环对提升H2O2生成速率的协同效应，为分子水平的设计原则提供了机理层面的见解。
廖光福（通讯作者），福建农林大学教授，入选中国科协青年人才托举工程、“闽江学者奖励计划”特聘教授、福建省高层次C类人才、福建农林大学“百人攀登计划”培育项目、2022年Journal of Materials Chemistry A新锐科学家及2023年Chemical Communications新锐科学家，担任《eScience》（影响因子42.9）、《Advanced Fiber Materials》（影响因子17.2）、《Exploration》、《林业工程学报》、《东华大学学报》等期刊青年编委。师从中山大学高海洋教授，长期从事光催化技术的开发和应用、生物质的高值化利用等研究，积累了丰富的光催化剂设计与开发、生物质高值化催化转化、反应机制解析及理论计算等基础和技能。近五年来，以第一/通讯作者身份在Nature Communications（1篇）、Energy & Environmental Science（2篇）、Matter（3篇）、Angewandte Chemie（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）和eScience（1篇）等国际著名期刊发表60余篇高水平论文（其中，影响因子>10，20篇；影响因子>30，4篇），论文被Nature Review Materials、Nature Synthesis、Chemical Society Reviews、Nature Communications和Advanced Materials等期刊引用7100余次，h指数50，11篇入选ESI高被引论文。授权中国发明专利11项（成功转让1项），参编英文和中文专著各1部，作为负责人主持包括国家自然科学基金青年和面上项目在内的多项科研项目。
李庆（通讯作者），湖北大学副教授，硕士生导师，湖北省级人才入选者，江苏省科技副总，创新创业导师。Engineered Science、Smart Molecules、Renewable and Sustainable Energy、Eco-Environment & Health和材料导报等期刊青年编委。主要研究领域包括：能源和环境光催化材料的设计和制备；超支化聚酰亚胺、聚酰亚胺基纳米复合材料的合成、理化性能以及在低介电、紫外遮蔽等领域的应用研究，主持国家自然科学基金、省部级科研基金等项目10余项。指导学生获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛等国家级奖项5项及省部级奖项10余项；指导学生获得国家级和省级大学生创新创业训练计划立项项目2项。以第一/通讯作者在Progress in Materials Science、Trends in Biotechnology、Chemical Engineering Journal、Chinese Journal of Catalysis、Materials Reports: Energy等国内外期刊上发表论文30余篇，累计影响因子210，总引用次数1000余次，ESI高被引论文3篇。获授权中国发明专利10余项。
Yuan Xue, Yanjun Zhang, Jun Du, Zushun Xu, Guangfu Liao, Qing Li. Introducing dual-functional site on carbon nitride: steering carrier migration and O2 activation for boosted H2O2 photosynthesis. Acta Physico-Chimica Sinica, 2026,100311.
https://doi.org/10.1016/j.actphy.2026.100311.
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