宽光谱响应的富碳-超薄氮化碳纳米片:高效光解水制氢催化剂

随着人类社会的飞速发展,人们对化石能源的依赖性也与日俱增。目前,过度的开发与利用在造成能源枯竭的同时,也对生态环境带来了严重威胁。因此,环境与能源问题备受人们关注。开发一种储量丰富、环保高效、可再生的新能源具有重要意义。氢能作为一种洁净的可再生能源,其能量密度高、产能效率好,是能量储存的理想载体。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然资源,据统计太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤燃烧释放的能量。而水经光解可产生H2,H2和O2反应又生成水,自然界中的水完全可循环利用。因此利用太阳能光解水制氢是开发氢能的最好方法之一。而如何合理设计和制备高效低价、稳定长效、且可见光响应的光催化剂成为光催化技术广泛应用的关键所在。在众多的光催化剂中,石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种可见光响应的半导体聚合物光催化剂,由于其独特的电子结构和优异的化学稳定性,在能源、环境和材料等领域都具有极大的潜在应用价值。

尽管g-C3N4具有可见光响应、结构稳定等一系列优点,然而作为理想的可见光催化材料仍存在以下固有缺点:(1)比表面积低,例如以三聚氰胺为前驱体制备的体相g-C3N4的比表面积通常只有10 m2 g-1左右,从而也导致催化活性位点较少;(2)较高的电子-空穴复合率,光生电子和空穴在光催化反应中起着主导作用,较高的复合率将严重影响光催化剂的活性;(3)光响应范围仍然较窄,因此对太阳光的利用率较低。这些缺点极大的限制了g-C3N4 在光催化领域中的应用。

东北师范大学邢艳教授以及中科院长春应化所宋术岩研究员课题组通过简单的在空气和氮气不同气氛下依次高温处理体相g-C3N4(CNB),制备合成了富碳-超薄g-C3N4纳米片(CNSC)。所制备的CNSC不仅保留了纳米级g-C3N4表面积大,光生载流子传导速率快等优点,同时克服了纳米化过程中由于量子尺寸效应而导致其带隙变宽的不足。此外,密度泛函理论表明g-C3N4的导带主要来源于C原子的PZ轨道,因此,当g-C3N4被光激发时,独特的富C结构有利于g-C3N4导带上光生电子的离域,从而进一步提高其光生载流子的分离效率。因此,由于CNSC优异的物理化学性能,其展现出了极高的光催化分解水制氢活性。该项工作为进一步提高g-C3N4光催化剂的性能提供了新的思路。相关成果发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201701552)上。