硼摻雜與氮缺陷協(xié)同增強石墨相氮化碳光催化產(chǎn)氧性能

楊金龍

中國科學技術大學，合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室，合肥 230026

含硼雜質(zhì)與氮缺陷的g-C3N4 在光照條件下的電荷轉(zhuǎn)移路徑示意圖。

受自然界光合作用啟發(fā)，半導體光催化分解水產(chǎn)氫/產(chǎn)氧為太陽能的轉(zhuǎn)化利用提供了一種有效途徑，受到研究者的持續(xù)關注1,2。自2009年以來，非金屬聚合物半導體石墨相氮化碳(g-C3N4)因其前驅(qū)體來源廣泛、制備方法簡單、環(huán)境友好無重金屬污染、光化學穩(wěn)定性好、能帶結構適合光催化產(chǎn)氫/產(chǎn)氧等優(yōu)點在光催化分解水領域得到了積極廣泛的研究3,4。在過去十年，科研工作者們已經(jīng)發(fā)展了基于熱力學與動力學過程的多種改性策略提高g-C3N4的光催化產(chǎn)氫性能，并且已經(jīng)獲得了很高的量子效率(34.4%@400 nm)4,5。然而，關于g-C3N4光催化產(chǎn)氧半反應—全分解水限速步的研究卻很少。目前報道的最高產(chǎn)氧量子效率只有1%@380 nm6。效率如此低的主要原因是g-C3N4載流子分離效率低、水氧化驅(qū)動力弱及可見光吸收有限等瓶頸問題一直得不到有效的解決，這也嚴重限制了g-C3N4光催化全分解水的發(fā)展進程。

最近，針對以上問題，西安交通大學沈少華教授課題組在國際材料領域權威刊物Advanced Materials上發(fā)表題為《摻雜與缺陷協(xié)同調(diào)控石墨相氮化碳能帶結構以增強光催化產(chǎn)氧性能》的研究性文章7，提出了一種通過調(diào)控g-C3N4電子結構來優(yōu)化其能帶結構及載流子傳輸性質(zhì)，從而增強光催化產(chǎn)氧性能的新思路。作者采用簡易固相法結合快速升溫策略，在惰性氣氛下煅燒g-C3N4與硼氫化鈉的混合物，成功將硼雜質(zhì)與氮缺陷同時引入到g-C3N4分子結構中，使得g-C3N4的導帶和價帶位置同時大幅度地向正電位方向移動，有效地增強了其可見光吸收能力，同時提高了水氧化的驅(qū)動力；除此之外，新生的電子結構含有豐富的不飽和位點，能誘導產(chǎn)生層間強烈的C-N相互作用，導致有效的電子激發(fā)并加速載流子傳輸。相對于未改性g-C3N4，同時含有硼雜質(zhì)和氮缺陷的g-C3N4的光催化產(chǎn)氧活性得到了顯著的提升，最高產(chǎn)氧速率達到561.2 μmol·h-1·g-1，遠高于先前報道的結果。結合一系列先進的實驗表征及理論計算，該工作清晰地識別了硼雜質(zhì)與氮缺陷在g-C3N4中確切位置，揭示了含硼雜質(zhì)與氮缺陷的g-C3N4的分子結構的演化過程，同時澄清了以往報道中存在的一些模糊甚至有疑問的分析，對于半導體材料的電子結構解析極具參考價值。

該工作提出了一種簡單有效的方法去調(diào)控半導體光催化劑的能帶結構和電子結構，為太陽能的高效轉(zhuǎn)化及利用提供了可借鑒的新思路。此項工作得到了國家自然科學基金委“能源有序轉(zhuǎn)化”基礎科學中心項目、國家重點研發(fā)計劃項目、中組部萬人計劃青年拔尖人才、中央高?；究蒲袠I(yè)務費等經(jīng)費支持。