赵雷教授等International Journal of Hydrogen Energy：氮化碳基1D&2D&3D光催化剂用于全光谱驱动高效光催化分解水制氢
第一作者：黄朝晖
通讯作者：陈辉，赵雷
通讯单位：武汉科技大学耐火冶金国家重点实验室
研究要点：
1.利用范德华力制备CN与GO的垂直异质结，改善氮化碳的电荷转移性能。
2.通过GO的交联，构筑CNGO异质结复合气凝胶，增加体系活性位点的暴露和光捕获效率。
3.在CNGO复合气凝胶中负载具有优异上转换性能的氮化碳量子点(CNQDs)，将光响应范围拓展至近红外区。
研究背景：
石墨相氮化碳(g-C3N4)由于独特的电子结构和物理化学性质在光催化领域受到广泛关注。然而g-C3N4本身存在的光响应范围窄、电荷转移性能差、比表面积低等缺陷使其光催化性能不理想。目前，复合半导体形成异质结被认为是解决光半导体光响应范围与光生载流子复合机率矛盾的有效手段，尤其是复合导电性良好的半导体效果更为显著。此外，将二维材料构筑成具有三维网络结构的气凝胶能缓解二维纳米材料的团聚，提高其比表面积，改善物质传输性能，增加活性位点暴露数量。负载具有合适的上转换发光性能的CNQDs，不仅能将体系光响应范围拓展至近红外区，还能改善局部电荷转移性能。
成果介绍：
2019年10月28日，International Journal of Hydrogen Energy在线报道了武汉科技大学赵雷教授团队在g-C3N4光催化分解水制氢领域的最新研究成果。在该工作中，研究者构筑了1D&2D&3D的CNGO复合气凝胶负载CNQDs，实现了从紫外-可见-近红外光驱动的高效利用太阳光的光催化分解水制氢。
要点1：利用范德华力构筑CN/GO垂直异质结
通过范德华力构筑CN/GO异质结，提高光生电荷分离效率，而GO中存在的热电子效应能有效的提高电荷迁移速率。此外，GO作为窄带隙半导体增强了体系在可见光区的光吸收能力。
图1 (a)CN-5的SEM照片； CNGO的(b) SEM照片，(c)拉曼光谱，(d)拉曼面扫照片，(e)TEM照片；CNQDs的(f)TEM照片，(g)粒径统计；CNGO/CNQDs的(h) SEM照片，(i) TEM照片
要点2：构筑CNGO复合气凝胶，增强物质传输和活性位点暴露
易团聚是二维材料普遍存在的问题，将二维材料通过交联的方式构筑成具有三维网络结构的气凝胶是解决这一问题的有效手段。气凝胶三维网络结构形成的大孔有利于反应物和产物的渗透和传输，大的比表面积有利于暴露更多的活性位点。此外错综复杂的孔隙结构增强光的散射，从而增强光吸收能力。
图2 (a)样品的氮气等温吸-脱附曲线；(b)样品的孔径分布曲线
要点3：负载具有良好上转换性能的CNQDs将光响应范围拓展至近红外区的同时改善局部电荷转移性能
CNQDs具有良好的上转换发光性能，其能被650-850 nm的近红外光激发而发射出几乎能完全被CN-5吸收的350-500 nm的光。此外，CNQDs还具有类似Pt纳米颗粒的效果，改善局部的电荷转移性能。CNGO/CNQDs在全光谱的光照射下具有优异的光催化分解水制氢性能，其制氢效率达到1200 μmol h-1，在420 nm处的AQY达到14%。
图3 CNQDs的(a) PL激发光谱，(b)PL发射光谱；样品的(c)紫外-可见吸收光谱，(d)CN-5的吸收光谱与CNQDs发射光谱对比，(e) PL发射光谱，(f) PL 725 nm光激发的发生光谱
图4 样品的(a)电化学阻抗谱，(b)瞬态光电流密度，(c)全光谱驱动光催化制氢效率，(d)近红外光驱动光催化制氢效率； CNGO/CNQDs的(d)表观量子产率，(d)循环稳定性
然而体系的稳定性有待加强，气凝胶结构的坍塌以及CNQDs的不稳定负载使CNGO/CNQDs表现出了较差的循环稳定性。
小结
以碳化氮为基础，通过范德华异质结的构筑、三维网络结构复合气凝胶的构建，有效的缓解了光响应范围与电荷分离效率的矛盾，改善了物质传输性能，增加了活性位点。利用CNQDs的良好上转换性能实现了紫外-可见-近红外光驱动的高效利用太阳能的光催化分解水制氢。本工作得到了省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、武汉科技大学以及国家基金委的大力支持。