单原子铜与C3N4层形成有效的电荷分离/传输系统应用于光催化

聚合物氮化碳（C₃N₄）是一种层状有机半导体光催化剂，拥有可调控的能带结构、优异的高热和化学稳定性、低廉的价格，在光催化分解水、有机选择性光合成等领域显示出优异的性能和广阔的应用前景。然而，块体C₃N₄低的光生电荷分离和传输效率制约其在实际中的应用；研究者采用元素掺杂、异质结构建等策略用于解决上述问题。如何建立更有效的层内和层间电荷传输通道，提高光催化性能仍然是一个挑战。引入原子尺度金属被认为是提高C₃N₄电荷分离和传输能力的有效途径之一。例如，将金属单原子（如Pt、Pd等）锚定到C₃N₄层内，能够有效改善层内电荷传输，但其对层间电荷传输能力的提升作用不明显。而且，金属单原子在C₃N₄中的准确配位环境尚不明确，对电荷输运动力学过程影响有待深入研究。因此，迫切需要开发新的合成策略实现金属单原子在C₃N₄层内和层间同步均匀锚定，以构建有效的电荷传输通道，实现光催化性能的提升。

图1. 单原子铜/C₃N₄催化剂的设计方案及SEM、TEM和XRD表征。

近日，黑龙江大学付宏刚教授、蒋保江研究员和中国科技大学张群教授报道了一种新的合成策略，即通过将叶绿素铜钠盐插入到三聚氰胺-三聚氰酸组装的超分子前驱体层间，经热聚合实现Cu原子与C₃N₄中N的配位（Cu-N_x）。X射线吸收谱结合理论模拟等手段证实：每个Cu原子可以与一个C₃N₄层内的三个N原子或位于两个相邻C₃N₄层的四个N原子配位，形成两种不同类型的Cu-N_x作为有效电荷传输通道促进电荷快速转移。超快吸收光谱进一步证实Cu-N_x能显著提高光生电荷在C₃N₄层内和层间传输速度，因此，催化剂展现出优异的可见光催化析氢性能（212 μmol h^-1/0.02 g催化剂），为块体C₃N₄性能的30倍，此外，在可见光催化下苯的氧化转化率高达92.3 %，选择性达到99.9 %。

图2. 单原子铜/C₃N₄催化剂与参比样品的X射线吸收谱和理论计算。

图3. 单原子铜/C₃N₄催化剂与参比样品的超快吸收光谱、稳态荧光光谱、光催化析氢性能。

图4. 单原子铜/C₃N₄催化剂的可见光催化下苯的氧化性能。

这项研究成果近期发表在Advanced Materials 期刊上。黑龙江大学肖旭东博士为论文的第一作者，黑龙江大学付宏刚教授和蒋保江研究员、中国科技大学张群教授为论文的共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Promoted Charge Separation/Transfer System from Cu Single Atoms and C₃N₄ Layers for Efficient Photocatalysis

Xudong Xiao, Yanting Gao, Liping Zhang, Jiachen Zhang, Qun Zhang,* Qi Li, Hongliang Bao, Jing Zhou, Shu Miao, Ning Chen, Jianqiang Wang, Baojiang Jiang,* Chungui Tian, Honggang Fu*

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202003082

导师介绍

付宏刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/10066

张群

https://www.x-mol.com/university/faculty/14864