黑龍江大學付宏剛教授等人Adv. Mater.：單原子銅與C3N4層形成的有效電荷分離/傳輸系統應用于光催化

引 ?言

聚合物氮化碳（C₃N₄）是一種層狀有機半導體光催化劑，擁有可調控的能帶結構、優異的高熱和化學穩定性、低廉的價格，在光催化分解水、有機選擇性光合成等領域顯示出優異的性能和廣闊的應用前景。然而，塊體C₃N₄低的光生電荷分離和傳輸效率制約其在實際中的應用；研究者采用元素摻雜、異質結構建等策略用于解決上述問題。如何建立更有效的層內和層間電荷傳輸通道，提高光催化性能仍然是一個挑戰。引入原子尺度金屬被認為是提高C₃N₄電荷分離和傳輸能力的有效途徑之一。例如，將金屬單原子（如Pt、Pd等）錨定到C₃N₄層內，能夠有效改善層內電荷傳輸，但其對層間電荷傳輸能力的提升作用不明顯。而且，金屬單原子在C₃N₄中的準確配位環境尚不明確，對電荷輸運動力學過程影響有待深入研究。因此，迫切需要開發新的合成策略實現金屬單原子在C₃N₄層內和層間同步均勻錨定，以構建有效的電荷傳輸通道，實現光催化性能的提升。

Adv. Mater.?2020, 2003082, DOI: 10.1002/adma.202003082

成果簡介

近日，黑龍江大學付宏剛教授、蔣保江研究員和中國科技大學張群教授報道了一種新的合成策略，即通過將葉綠素銅鈉鹽插入到三聚氰胺-三聚氰酸組裝的超分子前驅體層間，經熱聚合實現Cu原子與C₃N₄中N的配位（Cu-Nx）。X射線吸收譜結合理論模擬等手段證實：每個Cu原子可以與一個C₃N₄層內的三個N原子或位于兩個相鄰C₃N₄層的四個N原子配位，形成兩種不同類型的Cu-Nx作為有效電荷傳輸通道促進電荷快速轉移。超快吸收光譜進一步證實Cu-Nx能顯著提高光生電荷在C₃N₄層內和層間傳輸速度，因此，催化劑展現出優異的可見光催化析氫性能(212 mol h^-1/0.02 g催化劑)，為塊體C₃N₄性能的30倍，此外，在可見光催化下苯的氧化轉化率高達92.3?%，選擇性達到99.9?%。

?圖文導讀

圖1：

a) 單原子銅/C₃N₄的合成設計方案

b-d) 單原子銅/C₃N₄的TEM和mapping表征

e) 單原子銅/C₃N₄的SEM表征

f) 單原子銅/C₃N₄的XRD表征

圖2：

a-d) 單原子銅/C₃N₄與參比樣品的同步輻射吸收譜

c-h) 單原子銅/C₃N₄與參比樣品的理論計算

圖3：

a) 單原子銅/C₃N₄與參比樣品的超快吸收譜

b) 單原子銅/C₃N₄與參比樣品的穩態熒光光譜

c) 單原子銅/C₃N₄與參比樣品的光催化析氫性能

圖4：

單原子銅/C₃N₄催化劑的可見光催化苯的氧化性能

結論

這項工作提出了一種簡單而經濟有效的合成策略，在C₃N₄層內和層間均勻錨定Cu單原子(Cu-Nx)，建立高效的Cu-Nx電荷傳輸通道，表現出優異的光催化析氫和光催化氧化苯至苯酚的性能，同時更好地理解了金屬單原子與C₃N₄之間的相互作用、以及對電荷輸運動力學過程的影響，從而為單原子光催化和光合成方向發展提供新的研究思路。

文獻鏈接

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

Adv. Mater. 2020, 2003082, DOI: 10.1002/adma.202003082

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003082

本文由黑龍江大學付宏剛教授、蔣保江研究員團隊投稿。