近日，环境科学与工程学院毛舜教授团队在Nature子刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Nitrogen heterocyclic covalent organic frameworks for efficient H₂O₂ photosynthesis and in situ water treatment”的论文。该论文合成了具有不同氮原子构型的氮杂环COFs光催化剂，通过调控其电子结构和能带结构，实现纯水中无需牺牲剂或氧气曝气条件下的高效H₂O₂生成，并在自然光照下实现了连续制备H₂O₂用于抗生素降解和长效水消毒。

H₂O₂作为一种重要的清洁能源和高效氧化剂，因其高能量密度和环境友好性，已广泛应用于化工、医疗、能源及环境领域。传统的蒽醌法工业生产H₂O₂会产生大量废水且能耗高，且高浓度H₂O₂在生产、储存和运输过程中存在一定风险。光催化产H₂O₂仅需以地球上丰富的水和氧气为前驱体、可再生太阳能为能源，符合绿色生产和原位应用的需求，是目前最具前景的H₂O₂生成替代方法之一。

氮杂环COFs由于其独特的光电性能具有极高的光催化产H₂O₂潜力。为系统研究N-杂环COFs中不同数量和位置的氮原子对其光催化效率的影响，充分理解结构设计的内在逻辑，本论文通过不同前体合成了不同氮原子数量和位置的氮杂环COFs（TpMp、TpPd、TpPm和TpTz）。其中，TpPm在可见光照射、自然pH条件下，无需牺牲剂或氧气曝气，实现了17014 μmol h^-1 g^-1的极高H₂O₂产率，优于此前报道的COFs基光催化剂，甚至高于需氧气曝气和牺牲剂的体系。

图1. Tp-COFs的合成及其高效H₂O₂生成性能

催化剂光电性能表征表明合适的氮原子的数量和位置可以使TpPm其保持较强的光吸收能力，同时防止因带隙过窄而引起的电子-空穴对快速复合，并具有最快的电子迁移率、最高的光电流密度和荧光寿命。论文验证了氮原子的数量和位置在调节COFs光电特性中的关键作用，通过实验和理论研究了TpPm上的H₂O₂生成反应路径，结果表明合适的氮原子数量和位置使得TpPm拥有最高的ORR能力和最低的反应电位势垒，并能够通过双通路路径协同生成H₂O₂。

为验证光催化H₂O₂合成系统在原位水处理中的应用潜力，本论文构建了20×20 cm的平板反应器，在自然光照下高效连续生成H₂O₂，实现了新污染物的持续降解和长效水消毒。该光催化反应器对环丙沙星、磺胺甲恶唑和氨苄青霉素等抗生素的去除率均超过90%，并具有长效的消毒效果。集成的WOR过程解决了氧气限制问题，同时为ORR提供质子以高效合成H₂O₂，基于此，TpPm平板反应器即使在低光强下也能维持0.8~1.6 mM的H₂O₂持续生成。

该论文开发了一种高效Tp-COFs催化剂用于光催化H₂O₂生产，研究结果展现了原位光催化产H₂O₂反应器的在环境领域的巨大应用潜力，为光催化H₂O₂合成及可规模化的原位水处理提供了新知识。

图2. 平板反应器用于原位水处理

同济大学环境科学与工程学院陈忠博士和湖南大学博士生翁浩为论文共同第一作者，环境科学与工程学院毛舜教授和湖南大学张辰教授为论文共同通讯作者，论文合作者还包括环境科学与工程学院博士生褚成成、姚笃成博士和李秋菊副教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62371-z