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研究背景

过氧化氢 (H₂O₂) 是一种重要的绿色氧化剂和能源载体，在化学合成和能源技术等领域具有广泛应用。目前，工业上主要依赖蒽醌法生产过氧化氢，但该过程能耗较高，且依赖集中式生产设施。利用太阳能驱动水和氧气直接合成过氧化氢，被认为是一种具有发展潜力的可持续分布式生产途径。然而，该过程长期受限于缓慢的水氧化动力学，以及氧还原过程中电子转移与质子供给难以有效协同，从而导致严重的电荷复合、反应效率下降以及过氧化氢选择性受限。自然光合作用中氧化还原中心、电子传递通道与质子传递过程的协同组织，为解决上述问题提供了重要启示。

文献概述

中国科学技术大学徐航勋、王磊课题组与安徽大学张颖课题组联合报道了一类新型共轭联噻吩框架材料 (conjugated bithiophene frameworks, CBFs)，通过引入炔基结构调控电子传递与质子供给，实现了高效光合成过氧化氢。在共轭联噻吩框架中，苯环和炔基结构作为水氧化位点，而噻吩单元则作为氧还原位点。随着炔基结构的引入，光生空穴逐渐富集于苯环/炔基区域，而光生电子向噻吩单元迁移，从而促进水氧化与氧还原反应在不同结构单元发生。

更为重要的是，炔基结构不仅参与电子传输，还能够调控界面水的组织方式。富炔骨架可诱导界面水形成连续的氢键网络，为质子接力传递提供通道，使水氧化过程中产生的质子能够更有效地输送至氧还原界面。基于此，电子传递与界面质子传递实现协同，使质子的产生、迁移与消耗过程同氧气还原有效耦合。含有双炔基结构的 CBF-TDB 在模拟太阳光下实现了 1.01% 的太阳能到化学能转换效率，约为不含炔基的 CBF-TB 的 5 倍；其在 420 ± 10 nm 处的表观量子效率达到 16.21%。

图1. (a) 自然光合作用系统的示意图；(b) 共轭联噻吩框架材料中，炔基结构促进电子传输并诱导界面水形成氢键网络，为质子传递提供通道，从而实现电子转移与质子供给的协同，用于高效光合成过氧化氢。

总结与展望

该工作构建了仿生共轭联噻吩框架平台，利用炔基结构同时调控电子传递和质子传递，实现电荷分离与局域质子供给的空间和动力学匹配，从而促进质子耦合的两电子氧还原反应。研究表明，对于涉及多步质子耦合电子转移的光催化反应，电子传递与质子传递的协同调控至关重要。这一策略为人工光合作用以及太阳能驱动的多步化学转化提供了新的分子设计思路。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。