第一作者：王兆强、丁桂祥

通讯作者：李春雪、帅李、倪永浩、廖光福

DOI：10.1016/j.esci.2026.100562

✦ 本文亮点 ✦

一、通过将CdS/PCN与f-CNF桥接，成功构建氢键网络。

二、在纯水中表现出2867 μmol L−1 h-1的高光催化H2O2活性。

三、电子与质子的协同效应源于CdS/PCN S方案机制和CNF的分子工程。

四、该体系显著加速了PCET过程，实现了卓越的H2O2光合作用。

✦ 前言 ✦

2026年3月，eScience杂志在线发表了福建理工大学李春雪副研究员和福建农林大学廖光福教授团队在光催化产H2O2领域的最新研究成果。该工作将羧基化纤维素纳米纤丝引入CdS/g-C3N4 S型异质结中构筑氢键网络，借助生物质材料高密度羧基供质子与界面氢键桥接电子传输，显著加速质子耦合电子转移（PCET）过程，最终在纯水无牺牲剂体系中实现了卓越的H2O2 (2867 μmol L−1 h−1)合成。论文第一作者为：王兆强、丁桂祥，论文通讯作者为：李春雪、帅李、倪永浩、廖光福。

✦ 背景介绍 ✦

依托水与氧气的人工光合成技术可规模化低成本制备H2O2绿色太阳能燃料，石墨相氮化碳凭借突出优势成为热门光催化材料，但块状氮化碳光生载流子易复合致使催化性能受限。构筑氮化碳基S型异质结虽能有效优化电荷分离效率并被广泛用于纯水体系光催化产H2O2，却普遍忽略了H2O2合成的关键步骤：质子耦合电子转移（PCET）过程对高效质子供给的需求。质子供给不足会造成超氧阴离子转化动力学迟缓、光生电荷大量无效损耗，再加上PCET反应本身存在电子与质子供给速率慢的固有缺陷，常规催化剂难以实现H2O2产率的大幅提升。相对而言，储量丰富、易化学改性的生物质纤维素纳米纤丝经羧基修饰后可形成密集氢键网络，既能作为质子供体加快质子传递，又可通过界面相互作用改善电荷迁移，为解决PCET过程中的质子供给瓶颈提供了新的思路。

✦ 本文所用设备 ✦

本文使用设备为泊菲莱Microsolar 300氙灯光源，该光源可实现高能量密度、长时间连续照射；具有恒定电流的输出模式，可确保氙灯光源的供电功率恒定，且具有综合的热管理系统，采用全新的铜、铝结合散热结构，精心优化的轴向散热设计，与关机风扇散热延时、温度传感器监测控制等多重手段结合，散热效果极佳，使氙灯光源箱体更为小巧灵活，获得了优良的综合性能。

✦ 图表解析 ✦

图1.（a）f-CNF、（b）CdS/PCN和（c）f-CNF/CdS/PCN的合成路线示意图。

通过2,2,6,6-四甲基哌啶氧基（TEMPO）氧化和随后的酸洗从天然针叶木中合成羧基官能化纤维素纳米纤维（f-CNF）。同时，随后通过水热法制备了CdS/g-C3N4（CdS/PCN）S型异质结。最后，搅拌f-CNF并将其与CdS/PCN混合，以制备f-CNF/CdS/PCN。

图2.（a）CdS-30%/PCN的TEM图像。（b、c）f-CNF-10%/CdS-30%/PCN的TEM图像。（d）f-CNF-10%/PCN的元素映射图像。（e，f）f-CNF-10%/CdS-30%/PCN的HRTEM图像。（g）XRD图。（h）FTIR光谱。（i）N1s的高分辨率XPS光谱。

通过HRTEM、XRD、FTIR及XPS系统表征了PCN、CdS-30%/PCN与f-CNF-10%/CdS-30%/PCN的微观结构与界面作用。形貌结果表明，纯PCN呈现典型二维层状结构，CdS可均匀负载于PCN纳米片表面，且f-CNF成功穿插于CdS/PCN层间，元素分布均匀，同时观测到CdS（111）晶面的特征晶格条纹，证实了异质结的成功构筑。XRD图谱中，复合样品出现特征衍射重叠峰，进一步验证材料成功制备。FTIR图谱中，f-CNF具备羧基官能团特征振动峰，证实其羧基改性成功。复合后样品特征吸收峰强度提升、三嗪环振动峰发生红移，表明f-CNF与CdS/PCN之间形成氢键作用。此外，XPS测试中C-N-H官能团特征峰向低结合能偏移，进一步佐证了氢键的构建。综上，各样品均成功合成，且f-CNF与CdS/PCN之间稳定氢键界面的构建，为制备高性能生物质基异质结光催化材料提供了坚实的结构支撑。

图3.（a）在N₂、空气、Ar和O₂气氛下，f-CNF-10%/CdS-70%/PCN在纯水中的H₂O₂生产率。（b）纯水中H₂O₂生产率。（c）纯水中f-CNF-1%/PCN、f-CNF-5%/PCN和f-CNF-10%/PCN的H₂O₂生产率。（d）纯水中PCN、CdS、CdS-30%/PCN和f-CNF-10%/CdS-30%/PCN的H₂O₂生产率。（e）用于光催化H₂O₂生产的波长依赖性AQY。（f）稳定循环试验。（g）光催化H₂O₂生产的调查和比较

可见光无牺牲剂光催化测试证实氧气为最优反应气氛。单一改性样品中，CdS-30%/PCN依靠S型异质结促进载流子分离，H2O2生产速率可达982μumol·L−1.h-1；f-CNF-10%/PCN凭借PCET效应H2O2产率为941umol·L-1·h-1，但受电子供给限制性能有限。二者氢键复合后，依托S型异质结充足的电子供给与f-CNF丰富的质子传递通道协同作用，f-CNF-10%/CdS-30%/PCN光催化H2O2生成速率最高达2867 μmol·L-1·h-1，远超单组分及多数已报道氮化碳基催化剂。AQY测试表明其在420 nm处量子效率达4.89%，光能利用率优异。同时，材料对过氧化氢光分解能力弱，利于产物积累。循环测试、结构表征及元素分析证明样品循环稳定性优异、抗光腐蚀能力强，具备良好的实际应用潜力。

图4.（a）NK边XANES光谱。（b）黑暗下的KPFM图像，以及（c）在黑暗下的相应线扫描。（d）S2pK边XANES光谱。（e）光照下的KPFM图像，以及(f）光线下的相应线扫描。（g）电荷差密度，其中绿色和黄色分别表示富电子和缺电子区域。（h）可见光照射下的电荷转移和分离过程机理。

研究进一步通过XANES、KPFM、能带与电荷密度计算及飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）系统揭示了S型异质结的电荷转移机理与动力学特性。XANES谱中N、S边特征峰的偏移规律证实CdS与PCN界面发生由CdS向PCN的定向电子转移，证明界面内建电场成功构建。KPFM测试表明，暗态下CdS与PCN间存在70mV表面电势差，形成由CdS指向PCN的内建电场。光照后二者接触电势差发生反向差异化变化，明确了PCN为电子供体、CdS为电子受体的电荷转移特征。功函数与能带结构计算结果匹配界面电荷迁移规律，电荷密度差分图直观证实界面电荷富集与耗散行为，进一步验证了内建电场的存在，空间分离的氧化还原位点赋予S型异质结优异的光催化潜力。fs-TAS结果表明，CdS/PCN异质结出现显著的光谱淬灭现象，证明界面高效单向电子耦合与载流子迁移；相较于纯组分，异质结电子弛豫速率显著提升，内建电场驱动的定向电荷传输有效抑制了载流子反向复合。综上，CdS/PCN依托内建电场实现了高效S型电荷转移机制，有效优化载流子分离与弛豫动力学、抑制复合，从根本上提升了太阳能光催化转化效率。

图5.（a）在5分钟的照射间隔下，原位FTIR光谱。（b）在5分钟的照射间隔下PCN的原位FTIR光谱。（c）使用苯甲醇（BA）、苯醌（BQ）和AgNO光催化H₂O₂生成率。（d）在黑暗和光照条件下，ESR。（e）不同辐照时间下ESR。（f）过渡态的阶跃图。（g）吉布斯自由能图。

尽管S型异质结可高效加速电子迁移，但质子传递滞后仍是制约过氧化氢光合成PCET过程的核心短板。为此，本研究结合原位红外、同位素示踪、自由基捕获、ESR表征及理论计算，系统阐明了f-CNF的增效机制与S型异质结的协同PCET机理。原位红外结果证实f-CNF可显著提升异质结氧气吸附能力，有效促进*OOH等关键氧还原中间体的持续生成。活性物种捕获实验与RRDE电化学测试共同证实，该体系过氧化氢合成严格遵循两电子氧还原（2e- ORR）路径。同位素标定实验进一步排除了水光氧化的影响，明确分子O 2为产物唯一氧源。ESR自由基结果表明，f-CNF可作为高效质子供体，驱动超氧自由基快速转化为*OOH，避免自由基累积，实现质子与电子同步协同传递。理论计算证明，该体系突破了传统质子、电子分步转移的局限，构建了同步耦合的PCET反应路径；同时f-CNF的引入有效降低氧还原反应能垒，加快反应动力学。综上，f-CNF通过氢键锚定在CdS/PCN界面，构筑了高效电子-质子协同传输通道，协同S型异质结的电子调控优势，全方位强化PCET反应进程，最终实现过氧化氢光催化性能的大幅提升。

图6. f-CNF-10%/CdS-30%/PCN的光催化H₂O₂生成机理。

✦ 全文小结 ✦

本研究阐述了完整的光催化反应机理（图6），明确PCET协同调控是高效光合成过氧化氢的核心机制。CdS/PCN S型异质结可有效驱动光生载流子分离迁移，使大量电子富集于CdS导带并持续供给氧还原反应。与此同时，界面锚定的f-CNF凭借羧基基团快速提供质子，依托氢键界面缩短传质距离，实现质子与电子同步耦合的新型PCET路径，有效降低氧还原反应活化能垒。体系优异的催化性能归因于多重协同效应。首先，S型异质结解决了光生电荷复合难题，保障高效电子供给。再者f-CNF提供充足且快速的质子传输通道。最后，界面氢键网络丰富了反应活性位点、优化传质动力学。相较于传统分步式氧还原路径，S型电荷传输与生物质分子工程的耦合策略，通过高效PCET过程同步优化电子、质子供给与耦合效率，显著提升了太阳能-过氧化氢的转化效率。

✦ 作者介绍 ✦

廖光福（1992.03），博士、教授，入选中国科协“青年人才托举工程”、闽江学者奖励计划“特聘教授”、福建省高层次C类人才、福建农林大学“百人攀登计划”培育项目、2022年Journal of Materials Chemistry A新锐科学家、2023年Chemical Communications新锐科学家及2025年Nanoscale新锐科学家，担任《eScience》（影响因子42.9）、《Nano-micro Letters》（影响因子36.3）、《Advanced Fiber Materials》（影响因子17.2）、《Nano-Micro Letters》（影响因子36.3）、《林业工程学报》、《东华大学学报》等期刊青年编委。长期从事光催化技术的开发和应用、生物质的高值化利用等研究，积累了丰富的光催化剂设计与开发、生物质高值化催化转化、反应机制解析及理论计算等基础和技能。近五年来，以第一/ 通讯作者身份在Nature Communications（1篇）、Energy & Environmental Science（3篇）、Advanced Materials（1篇）、Angewandte Chemie International Edition（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）和ACS Catalysis（1篇）等国际知名期刊发表学术论文70余篇（其中，影响因子>10，30篇；影响因子>30，5篇）；授权中国发明专利11项（成功转让1项）；并参编英文和中文专著各1部。作为负责人主持包括国家自然科学基金面上项目和青年项目在内的多项科研项目。申请人的研究工作受到国内外权威杂志和同行专家的高度关注和引用（Google Scholar统计近五年总引用次数达9300余次，h指数为59，15篇入选ESI高被引论文，并连续四年入选《全球前2%顶尖科学家》榜单）。

✦ 文献信息 ✦

Zhaoqiang Wang, Guixiang Ding, Chunxue Li, Hongwei Huang, Yin Xiao, Zihe Chen, Juntao zhang, He Xiao, Zhuan Wang, Lihui Chen, Li Shuai, Yonghao Ni, Guangfu Liao. Hydrogen-bonds bridged biomass-assisted S-scheme junction boosts proton-coupled electron transfer for H2O2 photosynthesis

https://doi.org/10.1016/j.esci.2026.100562

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