科學(xué)島團(tuán)隊(duì)在氮化碳材料光催化產(chǎn)氫研究中取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心喻志武研究員及其合作者，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF），創(chuàng)新性地將超分子自組裝工程和缺陷工程結(jié)合起來(lái)，成功的合成了一種具有氮（N）空位和明顯n–π*躍遷的管狀氮化碳催化劑（T-0.9ODHCN），其相較于原始?jí)K狀氮化碳，光催化產(chǎn)氫性能增長(zhǎng)了31.2倍。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《化學(xué)工程期刊》（Chemical Engineering Journal 501 (2024) 157670）。

自2009年首次報(bào)道了氮化碳作為半導(dǎo)體材料可用于可見(jiàn)光催化分解水以來(lái)，氮化碳基光催化劑研究一直受到廣泛關(guān)注。然而由于比表面積小，光生電子-空穴對(duì)分離效率低以及可見(jiàn)光利用率低這三個(gè)缺點(diǎn)極大的限制了氮化碳材料的實(shí)際應(yīng)用。

研究團(tuán)隊(duì)合成的T-0.9ODHCN氮化碳光催化劑，巧妙的在氮化碳七嗪環(huán)骨架中引入N空位，借助SHMFF的電子自旋共振譜儀（ESR）對(duì)氮空位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，表明N空位增加了共軛體系中 π 電子的離域，因此激發(fā)了n-π * 躍遷。獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)不僅增加了氮化碳的比表面積，而且還提供了大量的活性位點(diǎn)，同時(shí)由于管狀結(jié)構(gòu)中光的折射和反射，增加了可見(jiàn)光的利用率。氮空位導(dǎo)致了缺陷能級(jí)的存在，因此縮短了氮化碳的禁帶寬度，促使更多的光生電子參與到光催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)中；n-π * 電子躍遷使得氮化碳的可見(jiàn)光吸收范圍發(fā)生紅移，并減緩了激子的湮滅過(guò)程，延長(zhǎng)了淺電子捕獲態(tài)的壽命，因此抑制了光生載流子的復(fù)合，極大的提高了光催化活性。

該研究工作揭示了氮空位和n–π*躍遷以及形貌控制在促進(jìn)光生電子分離和遷移過(guò)程中的關(guān)鍵作用，為氮化碳基光催化材料的性能提升提供了新的策略。

圖1. 基于飛秒瞬態(tài)吸收光譜獲得的電子躍遷示意圖