Small Structures:g-C₃N₄基2D/2D异质结光催化剂

光催化技术在能源和环境领域具有重要的应用前景。然而,单一光催化剂由于具有光生载流子易复合、光吸收弱、比表面积小、孔径结构单一等缺点,其光催化活性较低。对此,研究人员围绕光催化材料的组成和结构开发了一系列策略。一方面,通过构建异质结复合物来促进光生载流子在不同组分之间的迁移和分离,减少复合。另一方面,制备构造特殊的形貌结构,包括量子点、二维(2D)纳米片、空心结构、分等级结构等。其中,2D材料具有较大的比表面积,能够为反应物的吸附和光催化反应的进行提供丰富的活性位点;同时具有较小的厚度,使得光生载流子容易快速迁移到表面。将两种2D材料组合形成2D/2D异质结复合物,可以综合利用2D材料和异质结的各自优势,进一步增强光催化性能。复合物中两种2D结构形成“面对面”的充分接触,这为光生载流子在两个组分间的转移提供了广阔的平台。

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有可见光响应的2D光催化材料。采用传统高温煅烧法制备的g-C3N4材料在电镜下看是堆积的纳米片,通过简单超声分散或二次煅烧后即可得到超薄2D纳米片。从晶胞结构上看,它是由tri-s-triazine基C3N4单层结构通过层间范德华作用力连接而成。一系列文献报道已经证实,将g-C3N4与其它2D光催化剂构建形成g-C3N4基2D/2D异质结复合物,能够获得优异的光催化活性。

中国地质大学(武汉)/武汉理工大学余家国教授团队系统综述了g-C3N4基2D/2D异质结光催化剂的研究进展。首先总结了g-C3N4基2D/2D复合物的制备方法,包括静电自组装、原位生长和固相反应等。然后剖析了异质结的光催化机理,尤其是对S型机理中光生载流子的迁移分离过程进行了重点讨论,阐明了S型异质结相对于传统II型异质结和Z型异质结的优越性。接下来列举了g-C3N4基2D/2D复合材料在光催化氧化还原反应中的各种应用,包括分解水制氢、CO2还原、污染物降解、NO氧化、重金属离子还原、产H2O2、有机物合成和杀菌。最后对g-C3N4基2D/2D异质结光催化剂的未来发展方向进行了展望,例如用原位表征技术进一步揭示光催化机理、借助机器学习设计丰富的异质结组成、应用到N2还原等更多的光催化反应中。

论文信息:

g-C3N4-Based 2D/2D Composite Heterojunction Photocatalyst

Bicheng Zhu, Bei Cheng, Jiajie Fan, Wingkei Ho*, Jiaguo Yu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100086

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100086