Solar RRL:碳点/氮化碳纳米片促进光生载流子分离

光催化技术是解决日益严重的环境污染与能源短缺问题的有效手段之一,制备高效、稳定的光催化剂是发展光催化技术过程中亟待解决的问题。近年来,无金属碳基材料在光催化领域中正扮演着越来越重要的角色,氮化碳作为最有潜力的光催化剂材料之一,其良好的稳定性、廉价易制备性及可见光响应性等,吸引了国内外研究者广泛的关注与研究兴趣。然而,本体氮化碳材料由于存在着光生载流子复合率高,光吸收范围有限以及比表面积低等问题,其光催化效果不够理想,这严重限制了其进一步的应用与发展。从结构上对氮化碳进行修饰与改性,提高其催化效果,这是相关研究的关键问题。其中,合成超薄氮化碳纳米片和低维异质结构复合材料是十分有效的策略,不仅将有助于光生电子空穴快速分离并且能够增强载流子传输能力,而且能够为催化反应提供更多的活性位点以及更高的可见光响应性。

吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室杨柏教授和合作者针对这一问题,采用简便易行的硒辅助热解法,制备了碳点/氮化碳纳米片复合光催化剂,成功实现了对本体氮化碳材料微观结构的调控及优化,促进了光生载流子分离及光催化性能的提升。相关结果发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900517)上。第一作者为吉林大学博士生韩梅与郑州大学卢思宇副教授,通讯作者为吉林大学杨柏教授与东北师范大学孙海珠教授。

该团队发现,一步硒辅助热解法可以有效地抑制氮化碳的层间堆叠,从而有助于超薄纳米片的形成,同时,在氮化碳纳米片骨架上原位形成了高度结晶的碳点。纳米片结构能够促进光生载流子从体相到表面的转移,从而有利于进行表面光催化反应。碳点具有优异的电荷分离与储存能力,有助于氮化碳骨架平面内的电荷传输。一系列表征及理论计算结果可以证明,碳点/氮化碳纳米片独特的微观结构改变了本体氮化碳的电子结构,促进了光生载流子在氮化碳层内和层间的分离与转移。同时,产物也被证明具有更大的比表面积及更高的可见光响应能力。综合以上分析,在能源光催化(二氧化碳还原、光解水产氢)及环境光催化(光催化污染物降解)方面,碳点/氮化碳纳米片光催化剂都能够有效地实现相对于本体氮化碳材料性能的提升。研究者也相信,此项研究为提升体相光催化材料的性能提供了新的思路。