Advanced Materials:守望相助——掺杂与缺陷协同增强石墨相氮化碳光催化产氧性能

自2009年以来,非金属聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有前驱体来源广泛、制备方法简单、环境友好无重金属污染、光化学稳定性高、且能带结构适合光催化产氢/产氧等优点而在光催化分解水领域得到了积极广泛的研究。在过去十年,科研工作者们已经开发了基于热力学与动力学调控的多种改性策略,以提高g-C3N4的光催化产氢性能,并且获得了较高的量子效率(34.4%@400 nm)。然而,关于g-C3N4光催化产氧——全分解水限速反应的研究报道却很少,且报道的最高产氧量子效率只有1%@380 nm。效率如此低的主要原因是g-C3N4载流子分离率低、水氧化驱动力弱及可见光吸收有限的瓶颈问题一直得不到有效的解决,这也严重限制了g-C3N4光催化全分解水的发展。

西安交通大学沈少华教授课题组针对这一问题提出了一种通过调控g-C3N4电子结构来优化其能带结构及载流子传输性质,从而增强光催化产氧性能的新思路。作者在惰性气氛中快速热处理g-C3N4与硼氢化钠的混合物,成功将硼杂质与氮缺陷同时引入到g-C3N4分子结构中,使得g-C3N4的导带和价带位置都大幅度地向正电位方向转移,有效地增强了其可见光吸收能力,同时提高了水氧化的驱动力;除此之外,新生的电子结构含有丰富的不饱和位点,能诱导产生层间强烈的C-N相互作用,导致有效的电子激发并促进载流子传输。由此,g-C3N4的光催化产氧活性得到了显著的提升,最高产氧速率达到561.2 μmol h-1 g-1,远高于先前报道的结果。同时,结合一系列先进的仪器表征及理论计算,该工作清晰地识别了硼杂质与氮缺陷在g-C3N4中的确切位置,全面地揭示了含硼掺杂与氮缺陷g-C3N4的分子结构的演化过程,同时澄清了以往报道中存在的一些模糊甚至有疑问的分析,对于半导体光催化材料的电子结构解析极具参考价值。

研究者相信,此项工作将会为太阳能的高效转化及利用提供可借鉴的新思路。相关论文”Synergy of Dopants and Defects in Graphitic Carbon Nitride with Exceptionally Modulated Band Structures for Effcient Photocatalytic Oxygen Evolution”发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903545)上。