青島農業大學馬永超教授等在Chemical Engineering Journal報道了“合二為一”策略用于提高非金屬聚合物光電轉換性能研究

引言

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）材料由于其獨特的物理化學特性，在催化、傳感等領域有廣泛應用。其中，以g-C₃N₄為核心的光催化技術可以通過裂解水產生氫氣，受到研究人員的廣泛關注。研究表明該材料具有較大的激子結合能。其光電轉換效率受限于低的光生載流子產生與分離。形貌調節和構建異質結能夠有效地提高激子分離和載流子轉移。相比于異質結而言，同質結除了能產生內建電場外，界面處材料相同的組分也可以保證化學鍵合的完整性。另外，管狀形貌可以縮短載流子擴散距離并提供豐富的反應位點。因此，合成管狀的g-C₃N₄同質結對于構建高效的g-C₃N₄半導體光電材料具有十分重要的意義。

成果簡介

近日，青島農業大學師進生教授課題組青年教師馬永超教授（第一作者/共同通訊）、韓國釜慶國立大學Park Sung Heum教授、長江師范學院王廣釗副教授、中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室姜文君副研究員（共同通訊）在前期有關半導體光電材料構-效關系探索的基礎上，通過一步熱聚合方法制備了管狀多孔的g-C₃N₄同質結材料。光譜學研究表明三嗪單元和吡啶單元的存在促進了g-C₃N₄材料中激子的有效分離且抑制了載流子的復合。理論計算表明該同質結可以降低氫的Gibbs自由能且有利于水的吸附。這些特性極大地增強了該材料的產氫性能。相關成果以題為“In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight”（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128802）發表在國際著名期刊Chemical Engineering Journal（IF=10.652）上。

圖文導讀

圖1 (a) 原始的氮化碳納米片和 (b, c) 富含吡啶的氮化碳納米管的SEM 圖。 原始的氮化碳納米片的(d)TEM圖。富含吡啶的氮化碳納米管的(e, f) TEM, (g) HRTEM 和 (h) TEM mapping圖。(j) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的 N 1s XPS譜圖和 (k) ¹³C 固態NMR譜。

圖2 (a) 所制備的氮化碳的XRD圖。 (b) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的UV-vis吸收圖。 (c) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的態密度圖。(d) 脲、脲和半胱氨酸混合物的TGA-MS 圖。

圖3 (a) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的光催化產H₂性能曲線圖。(b) 半胱氨酸改性的氮化碳的產H₂性能柱狀圖。 (c) 光照15小時富含吡啶的氮化碳納米管的產H₂圖。(d) 氫吸附自由能。

圖4 (a) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的VB-XPS譜圖和(b) T_auc 圖。 (c) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管能帶結構示意圖。氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的(d) 氮化碳納米片和富含吡啶的氮化碳納米管的穩態PL圖、(e) EPR圖和 (f) EPR曲線積分圖。

圖5 (a) melem和Py-melem的分子結構示意圖。(b) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的共軛聚合物的示意圖。(c) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的VBM 和 CBM 分布。 (d) 左圖: melem基聚合物和Py-melem基聚合物通過計算得到的能級位置及VBM和CBM。右圖：形成同質結之后的能帶結構調節示意圖。 (e) 光催化性能提高的可能機理。

小結

本實驗提出了一種制備管狀氮化碳同質結的策略。該材料具有增強的激子分離與載流子傳輸性能，大大提高了光解水產氫速率。本實驗結果為設計和制備性能優異的氮化碳同質結提供了一個新思路。

文獻鏈接

In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight, (Chemical Engineering Journal, 2021 doi.org/10.1016/j.cej.2021.128802).

本文由青島農業大學馬永超投稿。