课题组赵刚老师实现纯碳氮光催化剂的全解水性能研究

     近日，团队赵刚老师在国内外催化顶刊杂志《Chinese Journal of Catalysis》(一区，影响因子：6.146)期刊上发表了题为“Design of p-n Homojunctions in Metal-free Carbon Nitride Photocatalyst to Overall Water Splitting”的研究论文。

该论文是在徐锡金教授指导下，由赵刚老师（实验，撰写），郭静华老师（理论计算），研究生郝树华（p/n测试）共同完成的一项工作。

      论文摘要：非金属氮化碳(CN)光催化剂由于其的光催化性能而备受研究者的关注。这里我们利用水热处理、高温烧结、高能球磨和烧结的方法成功出一种具有混合结构的碳氮光催化剂。由于这种结构的界面作用，使碳氮光催化剂显示出了高的光催化活性。它的产氢效果可以高达 17028.82 μmolh-1g-1，在 420 nm光照下，其光量子效率也达到 11.2%。随后，纳秒级别的时间分辨PL光谱被用来测试这种材料的荧光寿命，其寿命达到 9.9 纳秒。而更有趣的重要发现是在不加牺牲剂时，这种碳氮光催化剂具有高效的全解水效果，其产氢效率为 270.95 μmolh-1g-1，产氧效率为 115.21 μmolh-1g-1，它有应用于全解水的实际应用中的潜力。另外，通过一系列测试，如紫外可见漫反射光谱，PL光谱和材料的比表面测试等，来寻找这种碳氮光催化剂催化效果好的原因。同时，通过电化学测试获得了肖特基曲线和电流-电压曲线，一个有趣的发现得出这种碳氮光催化剂里含有少量的pn结构，这些结构近一步提高了这种碳氮光催化剂的催化效果。因此，这项工作对优化碳氮光催化剂的催化效果有很好的指导意义。

      在这个工作中，最重要的是材料的制备：第一种碳氮材料，我们以三聚氰胺为原料，先进行水热合成处理（180 ℃，24h），接着过滤干燥，然后将材料转移到高纯氩气保护下的管式炉中，温度为550 ℃，保温时间为1 h; 第二种碳氮材料，将CN用三聚氰胺和氟化铵水热180℃处理24 h，过滤、干燥、煅烧（550 ℃，1 h）; 目标产物，我们将上述两种碳氮材料按相等的比例混合后，高能球磨研磨，然后将其转移到管式炉中，气氛保护下淬火。

      光催化效果好的原因：有一般性的光生载流子的寿命比其它材料要长，有助于电子和空穴参与光解水的氧化还原反应；还有这种材料的比表面要大于其它材料的比表面积，有更多的活性点参与反应。但是，更重要原因，我们认为是这种材料中含有少量的pn结构，这种结构使材料在弱光下也会产生光生载流子，实际上它是起到光生载流子的激发作用，即在相同光照下，就会产生更多的光生载流子数量，因此，它进一步优化和提高了碳氮光催化剂的光催化效果。而这种思路对以后的光催化剂的设计给予了一定的启发。

关键词: 二维非金属光催化剂; 碳氮; 全解水; 时间分辨光谱; 第一理论计算；多相结构

收稿日期: 2020-03-13. 接受日期: 2020-04-16. 出版日期: 2021-03-05. 文章链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1872206720636701

*通讯联系人：徐锡金教授; 电子信箱: sps_xuxj@ujn.edu.cn

基金来源: 国家自然科学基金(51802177, 51672109, 11504134). 山东省自然科学基金重大基础研究项目(ZR2018ZC0842), 山东省自然科学基金(ZR2018BEM019).