含氧基團與氨基共修飾的超薄多孔氮化碳光催化析氫

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開發高效的清潔能源是當今社會的重大挑戰。氫氣不僅是最具潛力的清潔能源之一，也是重要的化工原料。利用太陽能光催化分解水制氫是最為理想的制氫途徑之一。近年來，具有優異化學穩定性、環境友好、結構可調和可見光響應活性等特點的聚合物氮化碳光催化劑得到學術界的普遍關注。但傳統氮化碳水分散性較差、活性位點少、光生電子-空穴分離效率低，導致光催化析氫的性能仍有待進一步提高。此外，通常製備的氮化碳往往結晶性較差，傳統表徵手段無法檢測低結晶性的結構變化，為理解微觀結構與性能之間的構效關係帶來了困難。

近日，天津大學的張兵教授課題組報道了一種一鍋法連續兩步熱處理的策略，製備出含氧、富氨官能團共修飾、～0.4 nm厚的多孔超薄非晶氮化碳（CNPS-NH2）。他們採用多種先進表徵手段分析其結構變化，發現所製得的CNPS-NH2表現出高效的析氫性能。通過對傳統型氮化碳進行空氣中高溫煅燒，作者製備出含氧官能團修飾的～10 nm厚的含氧多孔氮化碳納米片（CNPS-O），再通過對CNPS-O的氨氣輔助熱剝離與修飾處理，獲得了富含氧缺陷、氨基修飾的CNPS-NH2。由於所獲得的CNPS-NH2為非晶結構，為了研究非晶CNPS-NH2的精細局域結構，該課題組與德國亥姆霍茲材料與能源研究中心的Tristan Petit博士和Jian Ren合作，利用BESSY II同步輻射X射線吸收譜技術，揭示了經過一鍋兩步處理的氮化碳的3-s-三嗪環結構單元未發生變化，氧缺陷的引入增強了位於O k-edge的O 2p電子態，進而延長光生載流子的壽命，提升CNPS-NH2的析氫活性。同時，所製得的材料具有以下優勢：（1）具有超薄、微孔與介孔結構的CNPS-NH2可暴露大量的活性位點，並縮短了載流子的傳輸距離、提升載流子的分離效率；（2）氧缺陷的引入提升了親水性，並進一步增加活性位點；（3）氨基官能團的Lewis鹼性增強了光催化材料的親水性，同時可穩定空穴、延長載流子壽命；（4）超薄尺寸引起的量子限域效應可顯著增加其導帶電勢，有利於光催化析氫的動力學過程。因此，CNPS-NH2表現出顯著增強的產氫性能。

該工作提出的富缺陷、超薄、納米多孔與表面功能化的協同調控策略為開發有機聚合物光催化劑提供了新的思路，同時也為揭示非晶態材料的局域結構與宏觀性能之間的構效關係提供了有效的方法。相關成果近期發表在Energy & Environmental Science上，文章的共同第一作者為Nannan Meng和Jian Ren。

該論文作者為：Nannan Meng, Jian Ren, Yang Liu, Yi Huang, Tristan Petit, Bin Zhang

Engineering Oxygen-containing and Amino Groups into Two-dimensional Atomically-thin Porous Polymeric Carbon Nitride for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Production

Energy Environ. Sci.,2018, DOI: 10.1039/C7EE03592F

導師介紹

張兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/13340

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