硼摻雜與氮缺陷協同增強石墨相氮化碳光催化產氧性能

楊金龍

中國科學技術大學，合肥微尺度物質科學國家實驗室，合肥 230026

含硼雜質與氮缺陷的g-C3N4 在光照條件下的電荷轉移路徑示意圖。

受自然界光合作用啟發，半導體光催化分解水產氫/產氧為太陽能的轉化利用提供了一種有效途徑，受到研究者的持續關注1,2。自2009年以來，非金屬聚合物半導體石墨相氮化碳(g-C3N4)因其前驅體來源廣泛、制備方法簡單、環境友好無重金屬污染、光化學穩定性好、能帶結構適合光催化產氫/產氧等優點在光催化分解水領域得到了積極廣泛的研究3,4。在過去十年，科研工作者們已經發展了基于熱力學與動力學過程的多種改性策略提高g-C3N4的光催化產氫性能，并且已經獲得了很高的量子效率(34.4%@400 nm)4,5。然而，關于g-C3N4光催化產氧半反應—全分解水限速步的研究卻很少。目前報道的最高產氧量子效率只有1%@380 nm6。效率如此低的主要原因是g-C3N4載流子分離效率低、水氧化驅動力弱及可見光吸收有限等瓶頸問題一直得不到有效的解決，這也嚴重限制了g-C3N4光催化全分解水的發展進程。

最近，針對以上問題，西安交通大學沈少華教授課題組在國際材料領域權威刊物Advanced Materials上發表題為《摻雜與缺陷協同調控石墨相氮化碳能帶結構以增強光催化產氧性能》的研究性文章7，提出了一種通過調控g-C3N4電子結構來優化其能帶結構及載流子傳輸性質，從而增強光催化產氧性能的新思路。作者采用簡易固相法結合快速升溫策略，在惰性氣氛下煅燒g-C3N4與硼氫化鈉的混合物，成功將硼雜質與氮缺陷同時引入到g-C3N4分子結構中，使得g-C3N4的導帶和價帶位置同時大幅度地向正電位方向移動，有效地增強了其可見光吸收能力，同時提高了水氧化的驅動力；除此之外，新生的電子結構含有豐富的不飽和位點，能誘導產生層間強烈的C-N相互作用，導致有效的電子激發并加速載流子傳輸。相對于未改性g-C3N4，同時含有硼雜質和氮缺陷的g-C3N4的光催化產氧活性得到了顯著的提升，最高產氧速率達到561.2 μmol·h-1·g-1，遠高于先前報道的結果。結合一系列先進的實驗表征及理論計算，該工作清晰地識別了硼雜質與氮缺陷在g-C3N4中確切位置，揭示了含硼雜質與氮缺陷的g-C3N4的分子結構的演化過程，同時澄清了以往報道中存在的一些模糊甚至有疑問的分析，對于半導體材料的電子結構解析極具參考價值。

該工作提出了一種簡單有效的方法去調控半導體光催化劑的能帶結構和電子結構，為太陽能的高效轉化及利用提供了可借鑒的新思路。此項工作得到了國家自然科學基金委“能源有序轉化”基礎科學中心項目、國家重點研發計劃項目、中組部萬人計劃青年拔尖人才、中央高校基本科研業務費等經費支持。