過氧化氫（H₂O₂）是最重要的工業(yè)產(chǎn)品之一，在生物處理、水凈化和化學(xué)合成等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它比KMnO₄和K₂Cr₂O₇等高價(jià)金屬氧化劑具有更強(qiáng)的氧化能力，并且在溫和的條件下發(fā)揮作用，副產(chǎn)物為水和氧氣，對環(huán)境無害。目前，工業(yè)上H₂O₂是在高溫下通過蒽醌法生產(chǎn)的，該工藝存在能耗高，使用貴金屬鈀催化劑、高壓氫氣和有毒溶劑，并排放大量化學(xué)廢物等問題。因此，探索一種高效、溫和、綠色的替代方法是非常有必要的。相比之下，光催化生成H₂O₂具有能源效率高、反應(yīng)條件溫和、高選擇性、副產(chǎn)物少、避免使用危險(xiǎn)前體和可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。然而，與常規(guī)的光催化反應(yīng)一樣，該方法存在的顯著問題是光生電子和空穴的快速復(fù)合，這導(dǎo)致激發(fā)能以熱量的形式耗散，因而，即使在有犧牲試劑的促進(jìn)下，催化效率也依然很低。

為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)具有長壽命電荷分離態(tài)的光催化劑是一種有效的策略。理想的情況下，這一策略可以通過光生電子和空穴的及時(shí)傳輸和累積來實(shí)現(xiàn)，并藉此促進(jìn)電荷分離，用以提高氧化還原效率和動(dòng)力學(xué)過程。與此同時(shí)，反應(yīng)物的傳輸和催化位點(diǎn)的可及性對于涉及多電子的光催化反應(yīng)也至關(guān)重要，因?yàn)檫@能確保反應(yīng)物在催化位點(diǎn)均勻分布，從而促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。然而，想要在光催化劑上同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)具有很大挑戰(zhàn)性。

江東林教授團(tuán)隊(duì)長期致力于新型二維共價(jià)有機(jī)框架（COFs）材料的設(shè)計(jì)、合成與應(yīng)用，在該領(lǐng)域做出了大量原始性創(chuàng)新性研究，奠定該領(lǐng)域的基礎(chǔ)與關(guān)鍵理論，極大地推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。在這項(xiàng)工作中，江教授團(tuán)隊(duì)提出了與光生載流子、電荷傳輸和物質(zhì)傳遞息息相關(guān)的催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素。作者意識到光驅(qū)動(dòng)電荷載流子生成的本質(zhì)是電子供體（D）和受體（A）之間的相互作用。通過將富電子的六苯基苯并菲與缺電子的苯并噻二唑單元相結(jié)合（圖1），可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)載流子生成和催化位點(diǎn)激活。結(jié)合密集分布的催化位點(diǎn)和緊密堆疊的柱狀π單元，作者設(shè)計(jì)合成的COFs光催化劑被證明可以促進(jìn)涉及多個(gè)電子的光氧化還原反應(yīng)。

在該催化劑中，一維納米通道修飾有接受氫鍵的原子，可用作對接位點(diǎn)，及時(shí)地將水和氧氣輸送到催化中心。這種COFs光催化劑能夠耦合水氧化和氧還原兩個(gè)半反應(yīng)，在沒有金屬和犧牲劑的情況下，該催化劑僅利用水和空氣中的氧氣在間歇式和流動(dòng)式反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了H₂O₂的高效光合成，具有高產(chǎn)率（5.7 mmol g^?1h^?1）、高表觀量子效率（420 nm處為17.5%）和高周轉(zhuǎn)頻率（4.2 h^?1）等特點(diǎn)。

該技術(shù)利用太陽光能，以水和空氣為原料實(shí)現(xiàn)人工光合成具有重要且廣泛應(yīng)用的H₂O₂，為當(dāng)前日益增長的能源危機(jī)和環(huán)境問題提供了一種可能的解決方案。