我组在光电催化合成过氧化氢（H2O2）领域取得重要进展。通过电化学共聚法构建了具有局部给体-受体（Donor-Acceptor, D-A）结构的噻吩（thiophene，Th）-苯并噻二唑（benzothiadiazole，BT）共聚物光电极，实现了高效的光吸收以及光电转换，并揭示了局部D-A结构通过增强共轭拓宽光吸收以及借助分子偶极增大促进电荷分离的机制，为发展高性能聚合物光阴极合成H2O2提供了新策略。
太阳能驱动光电催化（photocatalysis，PEC）氧还原（Oxygen reduction reaction，ORR）合成H2O2是实现“双碳”目标和绿色化工的重要途径。相较于无机p型半导体（种类少、能带匹配性差、需复杂修饰），有机半导体因结构可调、能带可设计及表面活性位丰富等优势，而备受关注。
李灿团队长期聚焦有机聚合物光阴极在PEC-ORR中的应用。前期工作发现，聚联三噻吩（pTTh）光阴极在光电氧还原反应中具有优异活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14748; ChemSusChem 2017, 10, 99; ChemSusChem 2019, 12, 1026），尤其在碱性条件下表现出高选择性2e− ORR特性。基于此，我组实现了碱性条件下pTTh光阴极高效合成H2O2（Energy Environ. Sci. 2020, 13, 238），产量达110 mM（10 h）。进一步地，以D-A-D型4,7-双(噻吩-2-基)苯并[c][1,2,5]噻二唑（DBT）为单体，系统研究了受体单元对聚噻吩基光阴极PEC ORR性能的调控机制（Small 2025, 2501593）。所得窄带隙（1.7 eV）PDBT光阴极能有效抑制H2O2分解，获得更高的稳态浓度（~123 mM）。
本研究通过电化学共聚法将苯并噻二唑（BT）受体单元引入聚联三噻吩（pTTh）骨架，成功构建了具有局部给体-受体（D-A）结构的共聚物光阴极。该材料表现出优异的光电催化性能，其在AM 1.5G的光照条件下，其在0 VRHE的光电流密度可达−2.53 mA cm−2，2e− ORR选择性超过90%。深入机理研究表明，BT单元的引入不仅通过增强共轭体系拓宽了光吸收范围，其诱导的分子内偶极效应更使电荷分离效率提升一倍。同时，增强的静电排斥力有效抑制了H2O2的还原分解，使优化后的PTTh-BT共聚物H2O2生成速率提高1.44倍而分解速率降低44%，最终实现173 mmol L−1的创纪录产出浓度。这一局部极化微环境策略为发展高效聚合物光阴极和实现高H2O2产率提供了新思路。
相关研究进展近期以“Thiophene-benzothiadiazole based organic polymer photocathode for photoelectrocatalytic oxygen reduction reaction towards efficient synthesis of hydrogen peroxide”为题，近日发表在《应用催化B：环境与能源》（Appl. Catal. B: Environ.）上。该工作的第一作者为503组博士研究生常清波。以上工作得到国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。（文/图 常清波）
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125702
