光催化生產(chǎn)過(guò)氧化氫（H₂O₂）過(guò)程中，主導(dǎo)催化效率的氧還原反應(yīng)（ORR）所需的質(zhì)子（H⁺）僅來(lái)自于水氧化反應(yīng)（WOR），但WOR動(dòng)力學(xué)卻遠(yuǎn)弱于ORR。因此，如何加速WOR產(chǎn)生更多H⁺，以滿足ORR的動(dòng)力學(xué)需求，是提升光催化產(chǎn)H₂O₂速率的關(guān)鍵。近日，顧培洋教授團(tuán)隊(duì)和李忠玉教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了“質(zhì)子海綿”這一概念（圖1），基于苝酰亞胺，制備了一種二甲氨基修飾的共軛微孔聚合物（CMPs）催化材料，在該領(lǐng)域取得重要進(jìn)展：

二甲氨基可以促進(jìn)水分解并從水中提取H⁺生成季銨鹽，繼而在光催化產(chǎn)H₂O₂的過(guò)程中為ORR提供必需的H⁺，就像海綿一樣可以吸取H⁺之后再擠出來(lái)供給ORR。該策略不僅有助于H⁺的傳質(zhì)過(guò)程，還將未功能化修飾的CMPs在空氣中的產(chǎn)H₂O₂速率從0.06 mmol g^-1 h^-1提升至二甲氨基功能化后的1.65 mmol g^-1 h^-1。此外，還將二甲氨基修飾的CMPs用于光芬頓降解污染物。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)農(nóng)藥類污染物2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）竟然可以作為空穴犧牲劑提高產(chǎn)H₂O₂速率，因此在光催化降解過(guò)程中額外加入Fe²⁺，使所產(chǎn)的H₂O₂原位與其發(fā)生芬頓反應(yīng)產(chǎn)生?OH來(lái)加快降解速率。針對(duì)300 mg L^-1的2,4-D，在光照40分鐘后即可降解98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前已報(bào)道過(guò)的光催化材料。

圖1 苝酰亞胺類CMPs光催化材料的合成路線、“質(zhì)子海綿”概念的提出及其相比已報(bào)道的工作的優(yōu)勢(shì)

 相關(guān)工作以“Harmonizing proton sponge and proton reservoir in conjugated microporous polymers for enhanced photocatalytic hydrogen peroxide production”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Chemical Science》上（Chem. Sci., 2025, DOI：10.1039/D4SC06603K）。同時(shí)，感謝王丹鳳博士在本研究中提供的大力支持。