中山大學高海洋教授Energy & Environmental Science綜述：類石墨相氮化碳半導體材料用于可見光催化析氫反應

【背景介紹】

可見光光解水生產氫氣是一種可持續獲取氫能的有效方法。通常情況下，人們首先考慮的是無機半導體材料作為光催化劑用于析氫反應，但是，這類光催化劑通常具有較寬的帶隙、較低的太陽光利用率以及對環境有較大的污染，這些都嚴重地限制了它們的光催化應用。在2009年，王心晨課題組首次報道了類石墨相氮化碳(g-C₃N₄)半導體材料用于可見光催化析氫反應(Nature?Materials,?2009, 8, 76-80)，這類光催化劑顯示出許多獨特且吸引人的優點，主要包括較窄的帶隙(~ 2.7 eV)、較強的可見光響應、獨特的電子能帶結構、優異的熱和化學穩定性、易于制備和功能化等，這些特征保證了它在可見光催化析氫反應領域呈現巨大的應用潛力。關于g-C₃N₄光催化劑的研究，主要集中在合理的設計和開發新型的g-C₃N₄光催化劑，使之具有增強的光催化性能，并且充分利用g-C₃N₄獨特的特征，有效地提高可見光利用效率。主要通過設計納米結構的g-C₃N₄（例如，薄的、高度結晶的、摻雜的、和含孔的g-C₃N₄）和g-C₃N₄復合材料（例如，金屬/g-C₃N₄，半導體/g-C₃N₄，MOFs/g-C₃N₄，碳材料/g-C₃N₄，導電聚合物/g-C₃N₄，敏化劑/g-C₃N₄等）來實現對光催化性能的提升。

【成果簡介】

最近，中山大學高海洋教授、西安交通大學楊冠軍教授以及加拿大不列顛哥倫比亞大學方百增教授合作在國際材料科學領域頂尖期刊Energy & Environmental Science?(IF = 33.25)發表題為“Semiconductor polymeric graphitic carbon nitride photocatalysts: the ‘‘holy grail’’ for the photocatalytic hydrogen evolution reaction under visible light”的論文。該論文重點關注怎么有效地提高g-C₃N₄的光催化性能和可見光利用效率，同時也聚焦于怎樣降低成本，從而實現工業化應用。具體來說，本論文首先簡要地介紹了g-C₃N₄的發展歷史、合成方法、電子結構和物化性能；然后詳細說明了一系列的本征態g-C₃N₄（例如，薄的、高度結晶的、摻雜的、和含孔的g-C₃N₄）用于可見光催化析氫反應；其次，也具體介紹了一系列的g-C₃N₄復合材料（例如，金屬/g-C₃N₄，半導體/g-C₃N₄，MOFs/g-C₃N₄，碳材料/g-C₃N₄，導電聚合物/g-C₃N₄，敏化劑/g-C₃N₄等）用于可見光催化析氫反應；最后，本論文通過系統的總結g-C₃N₄光催化劑的文獻，提供了一些新的關于這個領域的觀點和看法。這篇綜述將指導和幫助科研工作者們去不斷改善技術，開發新型的g-C₃N₄光催化劑，逐步地迎合工業生產要求。

【圖文解讀】

圖1. 論文封面

???

圖2. g-C₃N₄的兩種不同的化學結構；

(a) 以三嗪為結構單元連接形成，(b) 以3-s-三嗪為結構單元連接形成

圖3.?g-C₃N₄的物理化學性能；

(a) g-C₃N₄的TGA-DSC曲線，(b) 酸處理前后g-C₃N₄的紅外； g-C₃N₄的 (c) 瞬態光致發光，(d) 時間分辨熒光分析，(e) 光電流相應分析

圖4.?g-C₃N₄的光催化機理

?

圖5.?一系列納米結構的g-C₃N₄和g-C₃N₄復合材料用于可見光催化析氫反應

【總結和展望】

在這個領域，我們需要強調一些挑戰和新的見解。(1) 光催化機理部分，除了廣泛接受的電荷載體轉移機制，光催化反應的熱力學和動力學過程需要進一步深入探索。(2) 對于本征態g-C₃N₄，探索結晶性的和大比表面積的g-C₃N₄將會是兩個熱門的研究課題。(3) 受納米材料層級結構的啟發，孔與孔相連的g-C₃N₄三維層級結構具有較高的應用前景，因為它能夠顯著的增強光吸收和光催化性能。(4) 光催化性能增強機理不應該僅僅局限在“光生電子-空穴對的有效分離”，我們更應該利用一些有效的物理手段和模型計算技術去分析和討論，得到一個更適合的機理。(5) 光催化性能測試方法應該制定一個統一的標準。(6) 在追求高性能g-C₃N₄光催化劑的同時，生產成本和環境成本也應該被考慮進去。著眼未來，我們相信這個熱門的領域的瓶頸將被克服，逐步實現工業化生產。

文獻出處

G.Liao, Y. Gong, L. Zhang, H. Gao, G. Yang and B. Fang, Semiconductor polymeric graphitic carbon nitride photocatalysts: the “holy grail” for photocatalytic hydrogen evolution reaction under visible light.Energy Environ. Sci., 2019, 12, 2080-2147.

中山大學高海洋教授、西安交通大學楊冠軍教授和加拿大不列顛哥倫比亞大學方百增教授為這項工作的通訊作者，博士生廖光福為第一作者，該工作獲得了國家自然科學基金(21674130、51873234)和國家青年拔尖人才支持計劃的資助。

本文系一作廖光福供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.