鑽石舞台

H2O2作為一種綠色氧化劑，在清潔燃料、廢水處理、消毒清潔和有機合成等領域應用廣泛。同樣，作為生命體中的內源代謝物，H2O2在生物傳感和腫瘤治療等生物醫學領域也具有超凡的應用前景。例如，在光動力療法（PDT）中，H2O2被分解成氧氣緩解乏氧環境；在化學動力療法（CDT）中，H2O2通過芬頓反應產生高活性羥基自由基。傳統蒽醌法合成H2O2存在高能耗和環保等挑戰；相比之下，無金屬氮化碳聚合物光催化劑因其能夠直接從水和空氣合成H2O2，因此被認為是一種理想的替代合成方案。然而，在實際應用中，H2O2光合成存在選擇性和活性低等瓶頸問題，例如，(1) 絕大多數氮化碳聚合物在熱力學上不能排除析氫副反應，安全隱患特別是大規模應用時不容忽視；(2) 目前最先進的光催化劑在乏氧條件下光合成H2O2的效率較低，無法實現腫瘤微環境(pO2≤ 5 mmHg)下H2O2的有效合成，極大地限制了在PDT/CDT領域的應用。

近日，東南大學張袁健教授課題組通過調控氮化碳嗪環連接基團，合成出一種新型無金屬H2O2光催化劑C5N2。共軛C=N鍵的引入，增強了p-電子離域，可促進有效的電子-空穴分離，同時C5N2表現較低的導帶(> 0 V vs. NHE)和價帶位置，理論上可在熱力學上消除析氫副反應（HER）和動力學上促進水氧化反應（WOR）。深入的光電化學、自由基捕獲和同位素質譜等實驗表明，在C5N2催化作用下，2e−氧還原反應（ORR）和2/4e−　WOR相互協同，在常氧和乏氧體系中表現出高效和穩定的H2O2效率，且不需要添加犧牲劑和助催化劑。在常氧條件下太陽能-化學能轉換效率能夠達到0.55%，是目前常氧體系中合成H2O2最具競爭力的催化劑之一；在乏氧環境中達到698 mM/h，是目前已知效率最高的H2O2光催化劑。

進一步利用C5N2在乏氧環境下優異的H2O2光合成性能，構建了芬頓反應體系，在乏氧與常氧條件下，均表現出顯著的殺滅腫瘤細胞的效果，展現了全水解H2O2光催化劑在腫瘤治療中的應用前景。同時，C5N2優異的熒光性能、良好的生物相容性以及高穩定性，也為建立同步成像和治療系統提供了潛在的可能。

該工作為H2O2的高效和選擇性光合成開闢一條新的途徑，特別是在乏氧條件下，有望推動光催化合成H2O2解決從能源、環境和化學合成到生物醫學領域的挑戰。