IF 44.6！在环境条件下，具有 Sn 空位的 SnSe 纳米片催化水和氧气产生 H2O2

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本文精选

过氧化氢（H2O2）是一种重要的工业化学品和可持续能源载体。然而，在温和条件下实现简单、高效且具有成本效益的合成仍然是一个重要的挑战。在这里，我们表明，具有Sn空位的SnSe纳米片可以在环境条件下从H2O和O2直接催化H2O2产生H2O2，而无需额外的能量输入（例如，光和电）、助催化剂或牺牲试剂。这种方法在40°C下实现了~2.6mmolg-1h-1的最佳H2O2生产速率，并在室温下在连续流反应器中保持长期稳定生产（~0.3 mmol l-1）超过50h。实验和理论分析表明，这种独特的热催化效应源于Sn空位缺陷诱导的H2O连续解离和O2分子活化的动态过程，以及SnSe纳米片的可逆表面重组以释放H2O2。我们的研究结果为H2O2生产提供了一种非常简单、高效且完全绿色的策略，对涉及水活化的其他催化反应具有更广泛的影响。

创新点

1.提出了一种全新的绿色合成路径：首次实现了在无需任何外部能量、助催化剂或牺牲剂的条件下，仅以水和氧气为原料，在常温常压下连续合成过氧化氢，打破了传统合成方法对复杂条件与贵金属催化剂的依赖。

2.揭示了空位缺陷驱动的动态催化机制：通过实验与理论计算结合，阐明Sn空位在促进H₂O解离和O₂活化中的关键作用，并发现催化剂表面在反应过程中发生可逆结构变化，避免了活性位点失活，从而实现长效催化。

3.提供了缺陷工程在热催化中应用的新范例：该研究不仅拓展了二维硫属化合物在热催化中的应用范围，也为通过原子级空位调控设计高性能非贵金属催化剂提供了重要理论与实践依据。

对科研工作的启发

1.强调催化剂“动态结构”在反应中的重要性：本研究指出SnSe纳米片表面在催化过程中会发生可逆重组，提示在催化机制研究中需关注工作状态下催化剂的真实结构，而非仅依赖初始态表征。

2.缺陷工程可作为激活惰性分子的通用策略：Sn空位实现了对H₂O和O₂两种稳定小分子的高效活化，说明精准的缺陷设计是替代贵金属、实现温和条件下催化反应的有效途径。

3.耦合连续反应步骤以突破热力学限制：该催化体系通过将水解离与氧活化动态耦合，实现了在热力学不利条件下的持续反应，为类似难以进行的反应（如氮气固定、甲烷转化等）提供了新的设计思路。

 思路延伸

1.材料体系的拓展与优化：可探索其他二维材料（如MoS₂、WS₂、Bi₂Se₃等）中不同类型的空位或缺陷结构对H₂O/O₂活化效率的影响，甚至构建多元缺陷或异质结构以进一步提升性能。

2.机制研究的深化：借助原位光谱技术和先进理论模拟，进一步捕捉水分解和氧活化的中间物种，揭示空位位点与反应物/产物之间的动态相互作用机制。

3.反应器设计与工程化放大：开发适用于气-液-固三相反应的高效连续流反应器，优化传质与反应条件，提高H₂O₂产率与浓度，推动该合成方法走向实际应用。 

生物医学领域的应用

1.实现H₂O₂的按需、原位供给：可基于该催化材料构建植入式或便携式医疗装置，在感染伤口处理、肿瘤局部治疗等场景中稳定、可控地提供H₂O₂，避免其储存与运输中的风险。

2.作为体外生物学研究的氧化应激源：利用该温和生成系统，可在细胞实验中模拟生理或病理条件下的H₂O₂波动，为研究氧化还原信号传导、药物毒性机制等提供更精准的工具。

3.推动抗菌与抗生物膜材料的发展：将SnSe纳米片催化材料嵌入医用敷料或涂层中，可实现持续自发的H₂O₂释放，从而有效抑制细菌生长和生物膜形成，用于医疗器械及环境表面的消毒。

原文链接

SnSe nanosheets with Sn vacancies catalyse H2O2 production from water and oxygen at ambient conditions

Pub Date : 2025-05-23 , 

DOI: 10.1038/s41929-025-01335-4

Xinyue Zhang, Yangyang Wan, Yi Wen, Yingcai Zhu, Hong Liu, Jiaxiang Qiu, Zhanpeng Zhu, Zhongti Sun, Xiang Gao, Shulin Bai, Yuqiao Zhang, Long Zhang, Xiaohong Yan, Jianming Zhang, Yong Liu, Shun Li, Li-Dong Zhao