光催化技术为过氧化氢（H2O2）的生产提供了一种很有前景的有效方法。然而，双电子氧还原反应（2e）极大地调节了光催化H2O2的生成活性。在此，我们展示了一种用于在可见光照射下人工合成H2O2的坚固单原子光催化剂（NiCN-x，锚定在超薄g-C3N4上的Ni单原子）。H2O2生成率高达27.11 mmol g−1h−1在最佳的NiCN-4光催化体系中，在400 nm处获得了8.56%的表观量子产率（AQY）。此外，通过旋转环-盘电极（RRDE）测量，NiCN-4催化剂对H2O2的选择性相对较高，为87.3%。此外，NiCN-4显示出增强的光催化TC分解，降解效率为89.4%。基于DFT计算、实验结果和高级表征，我们发现，高光催化性能归因于增强2e−O2RR过程中形成了Ni-μ-过氧化物（Ni-OOH）和Ni-Nx配位的独特电子特征。本研究为制备单原子催化剂（SAC）提供了一个新的蓝图，以实现H2O2的高选择性人工光合作用和有机污染物的降解。
本文介绍一种坚固的单原子光催化剂（NiCN-x，固定于超薄g-C3N4上的 Ni原子），在可见光照射下，人工合成H2O2。在NiCN-4的最佳光催化系统中，H2O2的生成率可达到27.11mmolg-1h-1，其表观量子收率为8.56%。另外，NiCN-4型催化剂经转动环-盘电极测定，H2O2的选择性为87.3%。并且NiCN-4对 TC的催化分解有明显的促进作用，其降解效率达89.4%。 通过 DFT计算、实验结果和先进的表征，我们发现，在2 e−O2RR反应中，Ni-OOH和Ni-Nx具有明显的电子特性。该研究为合成具有高选择性的H2O2的人工光合及有机污染物的单原子催化剂（SAC）的制备提供了新的思路。
图1 ：（a，b）NiCN-4催化剂的TEM和（c）AC-STEM图像；NiCN-4：（d）N 1s，（e）C 1s和（f）Ni 2p的XPS光谱。
图2 ：（a） Ni箔、NiCl2、NiPc和NiCN-4样品的归一化Ni K边XANES实验光谱；（b） Ni箔、NiPc和NiCN-4在R空间的k3加权傅立叶变换（FT）EXAFS光谱；（c） EXAFS R空间Ni K边谱的幅值（顶部）和虚部以及NiCN-4的拟合曲线；（d，g）Ni箔、（e，h）NiPc和（f，i）NiCN-4的小波变换（WT）等值线图。
图3：（a） 可见光照射下H2O2的瞬态紫外-可见吸收光谱，（b）光催化H2O2生成速率，（c）CN、UCN、NiCN-2、NiCN-4和NiCN-6催化剂的Kf和Kd；（d） 在NiCN-4催化剂上进行光催化H2O2生产的循环实验结果；（e） H2O2生成的表观量子产率与NiCN-4上的波长（紫色条）和NiCN-4的紫外-可见DRS（黑色曲线）有关；（f） 制备的CN、UCN、NiCN-2、NiCN-4和NiCN-6样品的紫外-可见DRS光谱；（g）CN和（h）NiCN-4样品的莫特-肖特基分析曲线；（i） CN和NiCN-4催化剂的VB-XPS光谱。
图4：（a） 合成催化剂的PL、（b）光电流密度、（c）EIS和（d）归一化开路电位衰减曲线。
：（a） 最佳结构（俯视图）和电荷密度差（b）无和（c）有氧分子在NiCN-4催化剂上的吸附（等值面值为0.003 e/Å−3.黄色和蓝色区域分别代表电荷累积和耗尽）；（d） 2e和4e的自由能分布− NiCN-4催化剂的O2RR工艺；（e） NiCN-4催化剂上2e中间体的优化结构−O2RR工艺。
图6：NiCN-4催化剂在可见光照射下光催化生成H2O2的示意图。Zhang Y Z, Liang C, Feng H P, et al. Nickel Single Atoms Anchored on Ultrathin Carbon Nitride for Selective Hydrogen Peroxide Generation with Enhanced Photocatalytic Activity. Chemical Engineering Journal, 2022, 137379.
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