LiFePO4改善无机/有机S型光催化剂的过氧化氢光合作用

doi:10.1016/j.actphy.2025.100104

物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (9): 100104.doi: 10.1016/j.actphy.2025.100104

所属专题：光催化中的S型异质结

LiFePO₄改善无机/有机S型光催化剂的过氧化氢光合作用

李静萍, 严素定*(), 吴佳曦, 程强, 王楷*()

湖北师范大学城市与环境学院, 黄石市土壤污染防治重点实验室, 湖北黄石 435002

收稿日期:2025-04-01 修回日期:2025-05-05 录用日期:2025-05-11 发布日期:2025-07-04
通讯作者: Email: yansd@hbnu.edu.cn (严素定)wangkai@hbnu.edu.cn (王楷)
基金资助:
国家自然科学基金(22378104); 湖北省自然科学基金(2025AFA093); 湖北省自然科学基金(2022CFB504); 湖北省优秀青年科技创新团队(T2023021)

Improving hydrogen peroxide photosynthesis over inorganic/organic S-scheme photocatalyst with LiFePO₄

Jingping Li, Suding Yan*(), Jiaxi Wu, Qiang Cheng, Kai Wang*()

College of Urban and Environmental Sciences, Huangshi Key Laboratory of Prevention and Control of Soil Pollution, Hubei Normal University, Huangshi 435002, Hubei Province, China

Received:2025-04-01 Revised:2025-05-05 Accepted:2025-05-11 Published:2025-07-04
Contact: Email: yansd@hbnu.edu.cn (Suding Yan)wangkai@hbnu.edu.cn (Kai Wang)
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22378104); Hubei Provincial Natural Science Foundation of China(2025AFA093); Hubei Provincial Natural Science Foundation of China(2022CFB504); Outstanding Youth Science and Technology Innovation Team in Hubei Province(T2023021)

1. ACTPHY-2025.100104-SI-4p.pdf(883KB)

摘要/Abstract

摘要：

随着新能源产业的快速发展，废旧电池的利用引起了研究者的关注。开发以电池回收材料作为光催化剂的过氧化氢光合系统是一项重大挑战。本研究采用超声自组装技术，将电池材料磷酸铁锂(LFPO)纳米颗粒与石墨相氮化碳(CN)纳米片复合，构建了用于生产H₂O₂的无机/有机S型光催化剂。通过X射线光电子能谱(XPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)的原位分析表明，LFPO与CN之间的相互作用促进了内建电场(IEF)的形成，进而产生独特的S型电荷转移机制。结合电子自旋共振光谱、自由基捕获实验和原位漫反射红外傅里叶变换光谱，确定了H₂O₂生成的三种途径。得益于增强的载流子分离、强氧化还原能力和多通道H₂O₂形成机制，最优复合材料在模拟太阳光照射下表现出3.22 mol∙g⁻¹∙h⁻¹的优异H₂O₂产率。该研究通过从废电池材料中设计S型异质结，为研究可持续的H₂O₂光合作用途径提供了一种潜在的方法。

关键词: 光催化, H₂O₂生产, 无机/有机异质结, 电池基催化剂, S型机理

Abstract:

With the rapid development of new energy industries, the utilization of waste batteries has attracted the attention of researchers. Developing a hydrogen peroxide photosynthesis system with battery recycling materials as photocatalysts presents a significant challenge. In this study, an ultrasonic self-assembly technique is employed to integrate LiFePO₄ (LFPO) nanoparticles, derived from spent batteries, with g-C₃N₄ (CN) nanosheets, thereby creating an inorganic/organic S-scheme photocatalyst for the production of H₂O₂. In situ analyses using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) demonstrate that the interaction between LFPO and CN facilitates the development of an internal electric field (IEF), which in turn gives rise to a distinctive S-scheme charge transfer mechanism. Combining electron spin resonance spectroscopy, radical-trapping experiments, and in situ DRIFTS spectra, three pathways for H₂O₂ formation are identified. Benefited from enhanced carrier separation, strong redox power, and multichannel H₂O₂ formation, the optimal composite shows an impressive H₂O₂-production rate of 3.22 mol∙g⁻¹∙h⁻¹ under simulated solar irradiation. This research provides a potential method to investigate a sustainable H₂O₂ photosynthesis pathway by designing S-scheme heterojunctions from spent battery materials.

Key words: Photocatalysis, H₂O₂ production, Inorganic/organic heterojunction, Battery-based catalyst, S-scheme mechanism

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Jingping Li, Suding Yan, Jiaxi Wu, Qiang Cheng, Kai Wang. Improving hydrogen peroxide photosynthesis over inorganic/organic S-scheme photocatalyst with LiFePO₄[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(9), 100104. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100104

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100104

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2025/V41/I9/100104

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LiFePO₄改善无机/有机S型光催化剂的过氧化氢光合作用

Improving hydrogen peroxide photosynthesis over inorganic/organic S-scheme photocatalyst with LiFePO₄

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