ACS Catalysis:东北林业大学,天然木材光催化的H2O2合成
在追求绿色化学和可持续能源的时代，太阳能驱动过氧化氢（H2O2）生产作为一种环保替代方案备受关注。然而，传统光催化剂常依赖贵金属或复杂合成过程，限制了其规模化应用。近期，东北林业大学陈志俊、慕尼黑大学emiliano cortés联合团队发表在ACS Catalysis上的研究论文Solar-Driven H2O2 Production Catalyzed by Natural Wood提出了一种创新思路：利用自然木作为高效光催化剂，不仅克服了材料可持续性难题，还展现了卓越的H2O2产率。研究背景：H2O2生产的需求与挑战
H2O2是一种多功能绿色氧化剂，广泛应用于造纸、纺织、废水处理和医疗等领域。目前，全球95%的H2O2生产依赖能源密集的蒽醌氧化过程，该过程溶剂消耗大、废水排放多，不符合可持续发展目标。太阳能驱动H2O2合成通过光催化剂利用太阳能，主要途径包括氧还原反应或直接水氧化。尽管已有多种有机光催化剂被开发，如碳氮化物和共价有机框架，但它们往往难以规模化或依赖稀缺资源。木质素作为植物细胞壁中丰富的芳香聚合物，具有天然的“电子供体-受体”结构，被认为是潜在的光催化材料。然而，以往研究仅关注分离木质素，忽略了其在自然基质中的协同作用。本研究首次证明，自然木的整体结构能显著提升光催化性能，为太阳能驱动氧化过程提供了可扩展的生态友好策略。光催化H2O2合成：自然木的卓越性能
研究团队测试了11种木材，发现其中8种（如白木、雪松木等）具有光催化产H2O2活性，其中白木（Whitewood, W-wood）表现最佳。通过扫描电子显微镜观察，W-wood具有宏观多孔结构，包括导管和管胞，这些结构有利于水和离子的传输，以及光线的渗透。相比之下，分离的深共熔溶剂木质素（DES-Lignin）呈现无定形结构，缺乏有序孔隙。在1太阳光照下（100 mW cm⁻²），W-wood在2小时内产生1.39 mM H2O2（速率695 μM h⁻¹），而DES-Lignin仅产生0.64 mM，表明白木的催化效率是分离木质素的2.2倍。这种增强归因于木质的天然基质：Klason木质素含量分析显示W-wood含有28.27%木质素，其多孔结构（比表面积2.93 m² g⁻¹）促进了质量传递。傅里叶变换红外光谱和固体核磁共振进一步表明，W-wood中的β-O-4键含量更高（18.31%），而DES-Lignin中该键因提取过程被破坏（仅3.69%）。β-O-4键作为木质素的主要连接方式，能增强HOMO-LUMO轨道分离，从而优化光生电荷分离。研究还考察了光热效应：随着光照强度从1太阳增至4太阳，W-wood表面温度从52.3°C升至83.4°C，反应液温度相应升高，加速了反应动力学。表观量子产率在420-700 nm波长范围内为0.19%-0.33%，与紫外-可见吸收光谱一致。这些数据突显了自然木在结构和功能上的优势。机制探究：光催化过程的深层解析
为阐明反应机制，研究人员进行了气体氛围实验：在氧气中，W-wood的H2O2产率比空气高0.18 mM；在氩气中，产率降至0.57 mM，表明氧气参与关键反应。清除剂实验显示，电子清除剂AgNO₃和超氧自由基清除剂苯醌显著抑制H2O2生成，而空穴和羟基自由基清除剂影响较小。电子自旋共振证实了光依赖的超氧自由基（·O₂⁻）生成。原位红外光谱检测到HOOHad和·OH⁻等中间体，表明反应遵循两电子氧还原路径：O₂首先还原为·O₂⁻，再与质子结合形成H2O2。值得注意的是，在厌氧条件下，W-wood仍能产生H2O2，而DES-Lignin则无活性，这归因于木中纤维素和半纤维素的氧化提供氧源。当木质素与葡萄糖或木糖混合时，H2O2产率提升，验证了木质组分的协同作用。此外，脱木质素处理导致H2O2产率下降，进一步证实木质素的核心催化角色。
密度泛函理论计算揭示了自然木的电子结构优势：与分离木质素相比，木中木质素的HOMO能级更低（-5.80 eV vs. -5.76 eV），LUMO能级更负（-0.07 eV vs. -0.00 eV），带隙更窄（5.73 eV vs. 5.76 eV），这促进了电荷分离和 triplet 激子形成。β-O-4键的电荷分布更极化，增强了电子传输效率。自然木的晶体结构（通过X射线衍射验证）防止了π-π堆积，延长了激子寿命。电化学阻抗谱和光电流测试显示，W-wood的电荷分离效率更高，室温磷光寿命达5.68 ms，而DES-Lignin则较短。这些特性共同推动了高效光催化。应用拓展：海水淡化、H2O2生产与消毒一体化
研究进一步展示了自然木的实际应用潜力。在海水（取自渤海）中，W-wood的H2O2产率提升至950 μM h⁻¹，优于纯水中的表现。这得益于木的多孔结构，其作为光热蒸发器，实现了H2O2生产和海水淡化的同步进行。实验表明，木基反应器在1太阳光照下，蒸发速率达0.66 kg m⁻² h⁻¹，产出的淡化H2O2溶液在5小时内浓度达0.32 mM。离子色谱分析证实，Na⁺、Mg²⁺等主要离子浓度显著降低。此外，W-wood还作为光激活抗菌材料：在大肠杆菌溶液中，光照24小时后菌落数降至2900 CFU mL⁻¹，而黑暗或无木条件下无此效果，体现了其在水消毒领域的应用价值。总结与展望
本研究首次将自然木作为整体光催化剂，用于太阳能驱动H2O2生产，其性能优于分离木质素和许多合成材料。关键创新点在于木的晶体结构、完整的β-O-4键、长寿命 triplet 激子以及光热效应的协同作用。机制上，木通过两电子还原路径高效生成H2O2，且纤维素和半纤维素提供了辅助氧源。应用方面，木实现了海水淡化和消毒一体化，展示了可持续水处理的潜力。自然木的资源丰富、成本低廉（约1.5元/公斤），为规模化H2O2生产提供了可行路径。未来工作可优化木种选择或复合改性，以进一步提升效率。这项研究不仅拓宽了生物质在光催化中的应用，也为绿色化学设立了新标杆。
参考文献：Chen, X.; Zhang, T.; Tian, W.; Liu, S.; Li, S.; Li, J.; Zhang, H.; Cortés, E.; Chen, Z., Solar-Driven H2O2 Production Catalyzed by Natural Wood. ACS Catalysis 2026.https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06295关注“催化能源先锋”公众号，获取更多科学突破的深度解析！欢迎各位研究学者进群交流！
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