H‐Bonds in Carbon Quantum Dot‐anchored C 3 N 5 to Boost Proton‐Coupled Electron Transfer for Piezoelectric‐Driven Hydrogen Peroxide Synthesis under Ambient Conditions

电子转移 催化作用 质子耦合电子转移 光化学 化学 质子化 氢键 纳米技术 材料科学 化学工程 分子 有机化学 离子 工程类
作者
Zhiguo Li,Kangbo Tong,Haojie Dong,Yatai Li,Kai Wang,Tengda Ding,Yang Yun,Yingtang Zhou,Mingshan Zhu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (16): e202502390-e202502390 被引量:31
标识
DOI:10.1002/anie.202502390
摘要

Tuning proton-coupled electron transfer (PCET) is a promising strategy to boost the oxygen reduction reaction (ORR) for hydrogen peroxide (H2O2) synthesis, but the slow transmission rate of protons and electrons to active sites remains a significant bottleneck. To address this, we developed an H-bond-driven PCET process based on carbon quantum dot-anchored C3N5 (CQDs-C3N5) for piezo-catalytic H2O2 synthesis. CQDs-C3N5 exhibited a remarkable piezo-catalytic synthesis rate of 5025 μmol g-1 h-1 under ambient conditions, surpassing that of most reported piezoelectric materials. This efficiency is attributed to the intermolecular H-bonds between CQDs and C3N5, which significantly accelerate PCET in the ORR. The piezoelectric-generated charges, from the dipole field of the C3N5 plane, and protons in water, were rapidly transferred to the C rings of CQDs via H-bond networks. This process facilitated the adsorption of oxygen onto the C2 sites adjacent to the carboxyl groups of CQDs, which in turn led to the formation of H2O2 through a rapidly protonated, indirect 2e- pathway. Additionally, a piezo-self-Fenton reaction system was constructed for oxytetracycline-rich wastewater purification, with effectively effects on chemical oxygen demand, antibiotic-resistant bacteria and antibiotic-resistant genes degradation, etc. This study highlights the critical role of H-bond networks for tuning PCET in the ORR and provides a comprehensive understanding for the precise control of catalytic reaction kinetics through molecular structural engineering.
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