H₂O₂是一种重要的绿色氧化剂，广泛应用于环境污染治理、化学合成、医疗健康以及造纸和纺织等领域。然而，目前工业H₂O₂生产主要依赖传统蒽醌法，存在工艺复杂、能源消耗较高以及有机废物产生等问题。利用太阳能等清洁能源直接合成H₂O₂，被认为是实现绿色化学品可持续生产的重要方向。但传统g-C₃N₄光催化剂普遍存在光生载流子分离和迁移效率不足、表面活性位点有限以及O₂还原动力学缓慢等问题，严重制约了H₂O₂的高效生成。

针对这一难题，我校材料科学与工程学院博士生安越在田娜副教授、黄洪伟教授和张以河教授的指导下，通过改进熔盐合成法，将K⁺、Ca²⁺以及氰基协同引入g-C₃N₄，构筑双离子掺杂的氮化碳材料KCCN-2。其中，K⁺优先进入g-C₃N₄层间，构建高效的层间电荷传输通道；Ca²⁺则进入七嗪环空腔，与邻近氰基N形成受阻Lewis酸碱对（FLPs）。两种金属离子在不同空间位置实现“功能分工”，从而同时调控材料的电荷传输和表面催化反应。

更重要的是，K⁺/Ca²⁺的不对称分布与氰基共同增强了材料内部的电荷不对称性和偶极矩，产生强烈的压电极化电场。在光照和机械振动共同作用下，该极化电场能够进一步促进光生电子和空穴的定向分离与迁移。与此同时，Ca²⁺与邻近氰基N形成的FLPs进一步赋予材料独特的表面反应能力。Ca²⁺作为Lewis酸位点能够增强O₂吸附与活化，而邻近的Lewis碱位点则协同促进乙醇O-H键断裂，为氧还原反应提供质子。由此，材料实现了从“光生载流子产生-定向迁移-O₂活化-质子供应-H₂O₂生成”的全过程协同调控。

得益于多维电荷传输通道、增强的压电极化电场以及FLPs表面活性位点的协同作用，KCCN-2展现出优异的H₂O₂生成性能。在可见光和超声共同作用下，其H₂O₂生成速率达到24.95 mmol g^-1 h^-1，显著高于单独光催化和压电催化过程，体现出明显的光-机械能协同效应。

在面向实际应用方面，研究团队进一步将催化剂与Sil-MA组装为形状可调的水凝胶，并构建漂浮式催化体系。漂浮水凝胶不仅能够实现催化剂的便捷回收，还能够改善光照和氧气传质条件。在连续可见光照射6小时后，体系中的H₂O₂浓度达到13.4 mmol L^-1，生成速率保持在约6 mmol g^-1 h^-1，且水凝胶整体形貌基本保持稳定，展现出良好的机械稳定性和循环利用潜力。

该研究为利用太阳能和机械能等清洁能源实现H₂O₂可持续制备提供了新的材料设计思路，也为压电光催化体系中“电荷传输与表面反应协同调控”提供了新的研究范式，并为未来绿色氧化剂制备及环境污染治理等领域的应用拓展奠定了基础。

图1. 本工作与已有研究对比

图2. KCCN材料的制备过程及不同样品的微观形貌、晶格结构和元素分布。

图3. 通过红外光谱、元素组成和XPS等分析KCCN材料的化学结构，进一步构建KCCN-2的结构模型

图4. 系统比较光催化、压电催化和压电-光催化条件下的H₂O₂生成性能，揭示光能与机械能之间的协同效应。

图5. 将KCCN-2进一步组装成不同形态的水凝胶，考察其H₂O₂生成性能、结构稳定性及长期运行能力，为催化剂的固定化、回收和实际应用提供新的方案。

图6. 通过压电响应、偶极矩、电化学和原位KPFM等测试，揭示K⁺/Ca²⁺双离子协同增强材料极化和表面电势，并促进光生载流子的分离与迁移。

图7. 结合EPR和原位DRIFT技术捕获反应过程中产生的活性物种及关键中间体，明确O₂活化和逐步质子化过程。

图 8. 通过理论计算分析电子结构、O₂吸附及乙醇解离过程，揭示Ca²⁺与邻近氰基N形成的FLPs能够协同促进O₂活化和质子供应，从而加速2e^- ORR生成H₂O₂。

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials.》上：Yue An, Na Tian*, Wenying Yu, Xiaolei Zhang, Yiwei He, Haitao Liu*, Yihe Zhang, Hongwei Huang*. Unprecedented Piezo-Photocatalytic H₂O₂ Synthesis via Synergy of Dual Charge Transfer Channels and Frustrated Lewis Pairs in Bi-Ionic Carbon Nitride. Advanced Functional Materials 36, no. 63 (2026): e77014.

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77014