近期，四虎影视 谢腾峰教授课题组与汪大洋教授课题组合作，针对光催化O₂还原合成过氧化氢（H₂O₂）过程中质子耦合电子转移（PCET）动力学不匹配的问题，提出了一种新型核壳结构纳米复合光催化剂的设计方案，实现了H₂O₂的高效光催化生成。该工作以“Leveraging Carbon Quantum DotSpacers as Dual Proton/Electron Boosters to Upgrade TiO₂@Polydopamine Photocatalysts for pH-resilient Conversion of O₂into H₂O₂with High Yield”为题，于2月6日发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。

图1. (a) TiO₂@CD@PDA（TCP）复合光催化剂中各组分功能的示意图。(b, c)不同光催化剂还原O₂生成H₂O₂的反应活性。

光催化O₂还原合成H₂O₂是一个典型的PCET过程，其效率常因光生电子转移与质子供给的动力学失配而受限。针对这一挑战，该研究开创性地设计了一种具有多界面结构的核壳光催化剂TiO₂@CD@PDA（TCP），通过碳量子点（CD）巧妙地连接二氧化钛（TiO₂）纳米粒子核心与聚多巴胺（PDA）外壳。在pH 1-9范围内，该催化剂展现出宽域且稳定的光催化生成H₂O₂活性，其在甲醇/水混合体系中的H₂O₂生成速率分别达到18.14 mmol g^-1h^-1和8.66 mmol g^-1h^-1。

图2. (a)原位瞬态光电压光谱测试得到的催化剂表面光生电子的利用效率。(b- e)TCP复合催化剂中光生电子与质子传输动力学的匹配。

在该催化体系中，各组分功能明确且协同互补：TiO₂核产生并提供光生载流子，PDA外壳则充当高效的氧化还原介质，特异性地捕获并还原O₂分子。尤其值得关注的是，CD中间层发挥了双重关键作用：其不仅能够有效调控TiO₂/CD/PDA界面的局部pH环境，还能促进质子与光生电子的协同转移，实现两者优异的动力学匹配，从而保证了O₂双电子还原过程的高选择性。得益于CD的独特物理化学性质，该体系成功突破了传统催化剂中质子供给作为限速步骤的瓶颈；因此，光生电子可以基于上述结构设计由TiO₂向PDA壳层快速定向迁移并高效参与氧气还原反应。这种卓越的光生电子利用效率通过原位瞬态表面光电压（in-situ TPV）技术得到了充分验证。本研究不仅为PCET依赖型光催化剂的设计提供了全新思路，还进一步强调了质子在光催化氧气还原过程中的关键作用，为构建光催化剂局部酸性行为的理论框架提供了重要依据。

吉林大学博士生李林甲为论文第一作者。团队在吉林大学的研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目和国际(地区)合作与交流项目的支持。