东北林业大学陈志俊教授 ACS Catalysis:天然木材作为高效光催化剂实现太阳能驱动 H₂O₂合成与海水淡化一体化

本研究研究了八种天然木材的光催化性能，发现其H₂O₂生成效率显著高于分离后的单一木质素，其中白木表现尤为突出。

东北林业大学陈志俊教授团队首次发现白木等 8 种天然木材的光催化合成 H₂O₂性能显著优于单独提取的木质素，其优势源于木材中木质素保留的高含量 β-O-4 键可促进电荷高效分离，且木材基质的晶体结构利于电荷传输并稳定高活性三重激发态，经数亿年进化形成的纳米级分层结构使其兼具优异光学性能、水与离子传输能力及光催化活性；1 个太阳光照下，天然白木的 H₂O₂产率达 695 μM h⁻¹，是单独提取木质素的 2.2 倍，且天然木材可直接作为太阳能反应器，实现海水淡化与 H₂O₂合成同步进行（海水中 H₂O₂产率高达 950 μM h⁻¹），同时具备光激活抗菌性能，开创了天然木材在光催化领域的应用先河，为太阳能驱动的氧化过程提供了兼具规模化潜力与生态友好特性的创新策略。

相关成果以“Solar-Driven H₂O₂ Production Catalyzed by Natural Wood” 为题发表在《ACS Catal. 》上。

示意图. 天然木材合成过氧化氢（H₂O₂）的示意图

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背景介绍

在全球 “双碳” 目标引领下，利用太阳能等可再生能源替代传统化石能源进行化学品合成，成为解决环境问题与资源短缺的关键路径。过氧化氢作为一种重要的绿色氧化剂，全球年产量巨大，但传统蒽醌法生产过程存在能耗高、溶剂消耗大、废水排放多等突出问题，不符合可持续发展要求。

太阳能驱动的光催化合成 H₂O₂ 被认为是最具潜力的替代技术之一，其核心在于开发高效、低成本、可规模化的光催化剂。目前已报道的光催化剂多为人工合成材料，存在制备工艺复杂、成本高、难以大规模应用等缺陷。木质素作为自然界中最丰富的芳香族聚合物，因具有天然的 “电子给体 - 受体” 结构，被视为潜在的可持续光催化材料，但单独提取的木质素存在电荷复合快、催化效率低等问题。此外，木质素在天然木材基质中的作用及木材整体的光催化潜力尚未被深入探索，这为研究团队提供了创新突破口。

本研究首次发现包括白木（Whitewood）在内的 8 种天然木材具有优异的光催化合成 H₂O₂ 性能，且催化活性显著优于单独提取的木质素。天然木材的优异性能源于两大核心因素：一是木材中木质素保留了更高含量的 β-O-4 键，可促进电荷高效分离；二是木材基质的晶体结构有利于电荷传输，并能稳定高活性的三重激发态。经过数亿年进化形成的木材纳米级分层结构，使其成为 “完美复合材料”，兼具优异的光学性能、水与离子传输能力及光催化活性。

在 1 个太阳光照下，天然白木的 H₂O₂ 产率达到 695 μM h⁻¹，是单独提取木质素的 2.2 倍。进一步研究表明，天然木材可直接作为太阳能反应器，实现海水淡化与 H₂O₂ 合成同步进行，海水中 H₂O₂ 产率高达 950 μM h⁻¹，同时展现出光激活抗菌性能。该研究开创了天然木材在光催化领域的应用先河，为太阳能驱动的氧化过程提供了兼具规模化潜力与生态友好特性的创新策略。

图1. 白木（W-wood）的表征与光催化性能

图 2. 白木光催化合成 H₂O₂ 的机制探究

图 3. 白木光催化性能的结构与电子机制

图 4. 木质素与木材的密度泛函理论（DFT）计算

图 5. 白木的实际应用性能

本研究首次证实天然木材可作为高效光催化剂用于太阳能驱动的 H₂O₂ 合成，其性能优于单独提取的木质素，核心优势源于木材中保留的高含量 β-O-4 键、晶体结构对电荷传输的促进作用、长寿命三重激发态的稳定以及光热效应的协同增强。天然木材无需复杂改性，凭借其天然的纳米级分层多孔结构，实现了光吸收、电荷分离、反应物传输与催化反应的高效协同。

该研究的创新价值体现在三个方面：一是开辟了天然木材在光催化领域的全新应用，突破了传统光催化剂依赖人工合成的局限；二是揭示了木材基质与木质素的协同作用机制，为生物质基光催化剂的设计提供了新理论；三是实现了海水淡化与 H₂O₂ 合成的同步进行，同时具备光激活抗菌性能，为可持续水处理技术提供了一体化方案。

未来研究可进一步优化木材的催化性能，探索不同木材种类的结构 - 性能关系，开发规模化应用技术；同时拓展其在其他光催化反应中的应用，如有机污染物降解、CO₂ 还原等。该研究为生物质材料的高值化利用提供了新路径，有望推动太阳能驱动化学品合成的工业化进程，助力实现环境友好与资源可持续的双重目标。

Xiaoxia Chen, Tao Zhang, Wenjie Tian, el at. Solar-Driven H₂O₂ Production Catalyzed by Natural Wood, ACS Catal. 2026, 16, 1103−1116.

https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06295

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封面：文章插图

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