东北林业大学陈志俊等研究团队ACS Catal.天然木材实现高效光热协同催化产过氧化氢的创新突破

过氧化氢作为一种重要的绿色氧化剂，在造纸、纺织、废水处理等领域应用广泛，但其传统生产方法如蒽醌法能耗高、步骤复杂且产生大量废弃物。太阳能驱动的过氧化氢制备技术具有环境友好和可持续的优势，然而现有光催化剂常依赖贵金属或复杂合成工艺，限制了规模化应用。东北林业大学、阿德莱德大学和慕尼黑大学的联合研究团队发现，天然木材可直接作为高效光催化剂用于过氧化氢合成，无需任何化学改性。研究表明，白木等天然木材的光催化性能显著优于分离出的木质素，在模拟太阳光条件下过氧化氢生成速率可达695 μM h⁻¹，较分离木质素提升2.2倍。木材的层级多孔结构、高含量β-O-4键以及晶体框架有效促进了电荷分离与传输，同时抑制了电子-空穴复合，为绿色过氧化氢生产提供了新途径。

研究通过对比天然木材与提取木质素的光催化行为，揭示了其性能提升的机理。天然木材中保留的β-O-4醚键有助于形成长寿命三重态激子，增强光生载流子的分离效率。木材的纤维素晶体结构为木质素提供了稳定支撑，减少了π-π堆积导致的电荷复合损失。实验表明，木材在无氧条件下仍可通过氧化还原反应路径生成过氧化氢，其中半纤维素和纤维素作为氧源参与反应生成超氧自由基等活性中间体。此外，木材的光热效应将反应体系温度提升，进一步加速反应动力学，在4倍太阳光强度下过氧化氢产率显著提高。固态核磁共振和荧光光谱分析证实，木材中激子寿命延长，且表观量子效率在420纳米波长下达到较高值，凸显了其光热协同催化优势。

该研究展示了天然木材在真实环境中的应用潜力，如海水淡化与消毒领域。在渤海海水实验中，木材反应器的过氧化氢产率高达950 μM h⁻¹，并实现0.66 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率，同时有效去除钠、镁等离子。木材基催化剂还表现出显著抗菌活性，对大肠杆菌的灭活效果突出，可用于开发一体化水净化系统。天然木材资源丰富、成本低廉且可再生，避免了贵金属和复杂工艺的依赖，为太阳能驱动的氧化反应提供了可规模化、可持续的解决方案。未来工作可聚焦于木材物种筛选和结构优化，以拓展其在能源与环境修复中的应用范围。