研 究 背 景

太阳能作为最丰富的可再生能源，其高效转化与利用是解决全球能源危机和环境问题的关键路径。光催化技术能够将太阳能直接转化为化学能，在水分解、CO₂还原、污染物降解及过氧化氢（H₂O₂）合成等领域展现出广阔前景。其中，H₂O₂作为一种重要的绿色氧化剂和清洁能源载体，其光催化合成备受关注。然而，传统光催化体系往往依赖紫外光、需要牺牲试剂辅助，且催化剂分散于反应液中导致分离困难，严重制约其实际应用。

共价三嗪框架（CTFs）是一类新兴的有机聚合物半导体光催化剂，具有结构多样性和可调控的能带结构。但传统CTFs（如对苯二腈衍生的DCB-CTFs）缺乏本征光热性能，光吸收范围受限，催化效率难以突破。另一方面，海水占地球表面水资源的97%，利用太阳能直接处理海水以同时获取淡水和高附加值化学品，是极具吸引力的"一箭双雕"策略，但目前将光热催化与海水淡化集成的研究仍属空白。

成 果 介 绍

生物质材料科学与技术教育部重点实验室（东北林业大学）陈志俊等人在Carbon Energy发表最新研究成果，创新性地以碳点（CDs）作为纳米间隔层，通过氰基碳点的环三聚反应，构建了一种共价键合的碳点-三嗪网络（CD-CTN）。该材料兼具优异的光热转换与光催化性能，实现了太阳能驱动的海水淡化与H₂O₂联产。

在模拟太阳光（100 mW·cm^-2）照射下，CD-CTN在纯水中3小时产H₂O₂达1.8 mM，产率为1066.7 μmol·g^-1·h^-1，是DCB-CTFs的近20倍；在天然海水中产率进一步提升。太阳能-热能转换效率达44.3%，远超传统CTFs及其他碳材料。将CD-CTN涂覆于棉质基底构建太阳能蒸发器，可实现82.71%的脱盐效率，蒸发速率达1.83 kg·m^-2（1小时），同时收集的冷凝蒸汽中H₂O₂浓度约0.5 mM，真正实现了"淡水+消毒剂"的一体化产出。该成果以“Carbon Dot Nano‐Spacers in Triazine Networks forIntegrated Photothermal Seawater Desalination and  H₂O₂ Production”为题发表在Carbon Energy 上。

研 究 亮 点

1.碳点纳米间隔层——从"物理混合"到"共价键合"的结构跃迁。

研究团队以羧甲基纤维素和4-氰基苯甲酸为前驱体，经水热法合成表面富含氰基（-CN）的碳点（CN-CDs，平均粒径2.5 nm），再以三氟甲磺酸（CF₃SO₃H）催化其环三聚反应，使碳点通过共价键连接三嗪单元，形成交联网络结构CD-CTN。作为对照，物理混合的CD@CTN和不含CD的DCB-CTFs均无法达到同等性能。XPS N 1s谱中，CN-CDs在398.9 eV的氰基信号消失，CD-CTN中出现399.7 eV（C=N-C）和401.8 eV（-NH_x）的新峰，FTIR中2236 cm^-1的C≡N伸缩振动消失、1634 cm^-1和1285 cm^-1的C=N/C-N振动出现，均证实了三嗪环的成功形成。这种共价键合使碳点成为网络中的"分子铆钉"，而非简单的物理掺杂。

2.光热-光催化协同——宽光谱吸收与高效电荷分离的双重增益。

CDs具有高度共轭结构和强近红外吸收，显著拓展了CD-CTN的光谱响应范围（200-800 nm）。在1 sun照射下，CD-CTN温度升高48°C，而DCB-CTFs仅5°C、CD@CTN仅16.5°C；光强增至10 suns时，CD-CTN表面温度可达245°C。光热效率计算为44.3%，源于CDs的非辐射跃迁路径——荧光寿命测试显示CD-CTN的辐射寿命极短（难以测量），而DCB-CTFs为7.41 ns，说明CD-CTN中激子主要通过非辐射弛豫转化为热能。同时，CDs增强了导电性（EIS弧半径更小），促进了光生电荷分离，光电流响应显著优于对照组。

3.能带结构精准调控——从"宽禁带"到"窄禁带"的还原能力强化。

Mott-Schottky分析确认CD-CTN为n型半导体，平带电位为-1.05 eV（vs. NHE），远负于ORR热力学电位（-0.33 eV）。其禁带宽度为2.06 eV，显著窄于DCB-CTFs（2.82 eV）和CD@CTN（2.13 eV），导带底位置更低，还原能力更强。价带顶为1.01 eV，满足两电子氧还原的热力学要求。这种窄禁带设计使CD-CTN能够充分利用可见-近红外光驱动催化反应。

4.无牺牲试剂、无金属、易放大——面向实际应用的绿色工艺。

CD-CTN在纯水中无需任何牺牲试剂或助催化剂即可高效产H₂O₂。5次循环稳定性测试显示产率基本不变，24小时连续运行后仍保持1.32 mM的产率。XRD证实循环后晶体结构稳定。原料均为廉价化学品（纤维素、氰基苯甲酸），合成条件温和，且可涂覆于棉质基底或纤维膜上直接放大，具备良好的工程化前景。

图 文 解 析

图1  设计理念与集成系统

图1展示了CD-CTN的合成路线与应用场景。以羧甲基纤维素和4-氰基苯甲酸为原料，经水热反应得到表面带氰基的CN-CDs（放大图显示其晶格条纹）。在三氟甲磺酸催化下，CN-CDs表面的氰基发生环三聚反应，形成三嗪环连接的网络结构。下方示意图展示了太阳能蒸发器的工作原理：CD-CTN涂覆的棉质基底吸收太阳光产生光热效应，海水自下而上经毛细作用输送至蒸发界面，同时光催化ORR反应原位生成H₂O₂；H₂O₂随水蒸气一同蒸发，经冷凝收集得到脱盐H₂O₂溶液。

图2  结构与光热性能表征

图2A的TEM显示CN-CDs平均粒径2.5 nm，晶格间距0.202 nm；图2B的HRTEM展示CD-CTN的交联网络形貌。图2C的XPS N 1s谱对比了CN-CDs（仅-CN峰）与CD-CTN（C=N-C和-NH_x峰），证实氰基向三嗪结构的转化。图2D的N K-edge XANES显示光照下404 eV吸收边强度增加，表明光生载流子增多。图2E的光热升温曲线是核心数据：CD-CTN在250 s内从室温升至约48°C，而DCB-CTFs和CD@CTN分别仅升至约5°C和16.5°C，差距悬殊。图2F的20次循环升温-降温测试证明光热稳定性优异。图2G的红外热成像直观展示了光强依赖性——1 sun时中心温升明显，10 suns时热点温度达245°C。图2H的光电流响应显示CD-CTN电流密度最高，证实电荷分离效率最优。图2I的能带图清晰对比了三种材料的带边位置，CD-CTN的窄禁带（2.06 eV）和深导带底（-1.05 eV）是其高活性的电子结构基础。

图3  光热催化性能与机理探究

图3A的产率曲线显示，无温控条件下CD-CTN 3小时产H₂O₂ 1.8 mM，约为CD@CTN（~0.9 mM）的2倍、DCB-CTFs（~0.09 mM）的20倍。图3B的5次循环稳定性测试证实产率恒定。图3C的光强效应表明，100-400 mW·cm^-2范围内产率随光强线性增加（1.8→3.2 mM），但1000 mW·cm^-2时因H₂O₂光分解和过高温度导致产率下降，存在最优光强窗口。图3D的气体氛围实验显示，O₂鼓泡体系产率最高（1.41 mM），Ar氛围几乎无产物（0.058 mM），证实O₂是H₂O₂来源。图3E的牺牲试剂实验是关键机理证据：苯醌（BQ，·O₂^-捕获剂）完全抑制反应，AgNO₃（电子捕获剂）使产率降低63%，乙醇（空穴捕获剂）使产率增加24%（抑制电子-空穴复合），TBA（·OH捕获剂）几乎无影响。图3F的ESR显示光照下CD-CTN未成对电子信号增强，图3G的DMPO捕获实验检测到光照下·O₂^-特征信号，而·OH信号可忽略（图S38），进一步支持上述机理。图3H-I的COMSOL有限元模拟显示，CD-CTN在780 nm激发下的电场强度和热场分布均显著强于DCB-CTFs，尤其在CDs与CTF界面处存在局域场增强效应。

图4  海水淡化与H₂O₂联产演示

图4A对比了纯水和海水中CD-CTN的产率，海水体系产率更高（3小时达~2.2 mM），归因于海水中Mg²⁺等阳离子作为电子受体促进电荷分离。图4B展示了实际蒸发器装置：CD-CTN涂覆的棉质圆筒置于结晶皿中，底部海水经棉芯毛细输送至光热催化层，顶部收集脱盐H₂O₂蒸汽。图4C的质量变化曲线显示1小时蒸发量达1.83 kg·m^-2，插图展示了收集的冷凝液（左）和H₂O₂试纸检测（右）。图4D的ICP-MS分析证实脱盐效果显著：Na⁺从约10⁴ mg·L^-1降至约10¹ mg·L^-1，Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺均降至约1 mg·L^-1以下，脱盐效率82.71%。

研 究 小 结

本研究开创性地将碳点作为共价纳米间隔层引入三嗪网络，通过分子层面的结构创新实现了光热-光催化性能的协同增强：

1.共价键合策略：碳点通过环三聚反应与三嗪单元共价连接，形成稳定的交联网络，避免了物理混合的界面缺陷，同时作为"分子铆钉"提升了结构稳定性和电荷传输效率；

2.光热-催化双功能集成：CDs的强近红外吸收和非辐射跃迁赋予材料本征光热性能（效率44.3%），窄禁带（2.06 eV）和深导带底（-1.05 eV）确保高效光催化氧还原；

3.无牺牲试剂绿色工艺：纯水中无需任何添加剂即可产H₂O₂，海水体系中阳离子协同效应进一步提升产率；

4.一体化器件验证：棉质基底蒸发器实现海水淡化（蒸发速率1.83 kg·m^-2·h^-1）与H₂O₂联产（0.5 mM），脱盐效率82.71%，为偏远沿海地区提供"淡水+消毒剂"的分布式解决方案。

该工作为无金属光热催化材料的设计提供了新范式，碳点纳米间隔层的策略可拓展至其他共价有机框架体系，在光催化水分解、CO₂还原、有机合成等领域具有广泛应用前景。在"双碳"目标和全球水资源短缺的双重背景下，此类低成本、易放大的太阳能驱动集成系统，有望成为可持续化学制造与海水资源化利用的重要技术路径。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Carbon Dot Nano‐Spacers in Triazine Networks forIntegrated Photothermal Seawater Desalination and  H₂O₂ Production

文章研究方向：

光催化

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70089

DOI: 10.1002/cey2.70089

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