持久的半醌自由基实现高效近红外驱动的H2O2光合成

将阳光转化为有用的清洁剂

过氧化氢是药箱和清洁用品中常见的成分，但工业规模的生产仍依赖耗能的化石燃料工艺。该研究探索了一种利用阳光直接由水和氧制造过氧化氢的方法，覆盖了目前大多数太阳能材料浪费的近红外波段。通过挖掘这一被忽视的太阳光谱半部分，作者向更清洁、分散化生产这种重要绿色氧化剂迈出了一步。

为何近红外光很重要

到达地球的阳光以近红外光为主，那是你皮肤上感到的不可见温暖。然而大多数太阳能驱动的化学体系只收集能量更高的可见光和紫外光。现有对近红外有响应的材料通常将其能量输送到低能的“陷阱”态，电子在这些态中缺乏驱动要求高的反应（例如将氧转化为过氧化氢）所需的能量。因此，这些材料在该波段的性能较弱，近红外光子对总化学产出贡献很小。要想在效率上与天然光合作用竞争或超越它，破解这部分被浪费的能量至关重要。

构建更佳的光捕获组合

研究人员以一种基于卟啉的材料SA‑TCPP为起点，该材料已能在宽波段吸收光并通过两条路径生成过氧化氢：还原氧和氧化水。他们随后用微小的聚多巴胺颗粒包覆这些纳米片，聚多巴胺是一种颜色较深、类色素的聚合物，其灵感来自贻贝粘附蛋白和黑色素的化学。聚多巴胺天然存在半醌自由基——高度反应但异常稳定的分子片段，可非常快速地搬运电子。当两种组分组合在一起时，氢键有助于将聚多巴胺颗粒锁定在卟啉片上，形成紧密的界面，使光生电荷能高效地从一种材料转移到另一种材料。

如何利用这些被隐藏的电子

在裸的卟啉材料中，近红外光激发的电子往往沉降到略低于激活氧所需能量的陷阱态里，它们多数与正电荷复合而不能做有用功。加入聚多巴胺改变了这一情形。详细的光学和电学测量表明，在复合体系中，这些被困的电子在几十飞秒（千万亿分之一秒）内被聚多巴胺中的半醌中心夺走。一旦到达那里，它们有助于在聚多巴胺表面形成短寿命的含氧自由基。这些自由基在额外电子到来时更容易转化为过氧化氢，且中间体不会回流入溶液而抵消反应进程。

从微观过程到宏观产出

这种超快的能量交接带来了明显的宏观后果。在模拟全光谱太阳光下，该复合材料以每小时3.37毫摩尔的速率生产过氧化氢，太阳能到化学能效率为2.2%，使其成为迄今报道的最佳无金属体系之一。引人注目的是，纯近红外光（波长在800纳米以上）现在占总活性的近30%，且该体系的响应仍可延伸到1020纳米，深入红外波段。人工与自然光照下的长期测试显示多小时内性能稳定，作者还演示了一个小型装置，其中原位生成的过氧化氢持续降解水中的染料和药物污染物。

这对清洁化学意味着什么

归根结底，这项工作表明合适的分子“中介体”可以拯救那些低能、易被浪费的电子，并将它们重新导向有用的化学反应。通过利用聚多巴胺中持久的半醌自由基作为超快的电子穿梭体，该团队将占太阳光谱一半以上的近红外光转化为驱动仅由水和氧生成过氧化氢的有效动力。这一方法不仅指向更安全、更可持续的常用氧化剂制备途径，也为未来太阳能材料提供了一个通用的设计理念：将宽谱光吸收体与内置的自由基位点配对，以捕获、存储并输送即便是最微弱的光激发电荷到最需要它们的地方。

引用: Dou, S., Zhang, Y., Xu, J. et al. Persistent semiquinone radicals enable efficient near-infrared-driven H₂O₂ photosynthesis. Nat Commun 17, 3333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70130-x

关键词: 过氧化氢光合成, 近红外光催化, 聚多巴胺半醌自由基, 卟啉超分子催化剂, 太阳能化学转化