类石墨相氮化碳半导体材料用于可见光催化析氢

  可见光光解水生产氢气是一种可持续获取氢能的有效方法。通常情况下,人们首先考虑的是无机半导体材料作为光催化剂用于析氢反应,但是,这类光催化剂通常具有较宽的带隙、较低的太阳光利用率以及对环境有较大的污染,这些都严重地限制了它们的光催化应用。在2009年,王心晨课题组首次报道了类石墨相氮化碳(g-C3N4)半导体材料用于可见光催化析氢反应(Nature Materials, 2009,, 76-80),这类光催化剂显示出许多独特且吸引人的优点,主要包括较窄的带隙(~ 2.7 eV)、较强的可见光响应、独特的电子能带结构、优异的热和化学稳定性、易于制备和功能化等,这些特征保证了它在可见光催化析氢反应领域呈现巨大的应用潜力。关于g-C3N4光催化剂的研究,主要集中在合理的设计和开发新型的g-C3N4光催化剂,使之具有增强的光催化性能,并且充分利用g-C3N4独特的特征,有效地提高可见光利用效率。主要通过设计纳米结构的g-C3N4(例如,薄的、高度结晶的、掺杂的、和含孔的g-C3N4)和g-C3N4复合材料(例如,金属/g-C3N4,半导体/g-C3N4,MOFs/g-C3N4,碳材料/g-C3N4,导电聚合物/g-C3N4,敏化剂/g-C3N4等)来实现对光催化性能的提升。

  最近,中山大学高海洋教授、西安交通大学杨冠军教授以及加拿大不列颠哥伦比亚大学方百增教授合作在国际材料科学领域顶尖期刊Energy & Environmental Science (IF = 33.25)发表题为“Semiconductor polymeric graphitic carbon nitride photocatalysts: the ‘‘holy grail’’ for the photocatalytic hydrogen evolution reaction under visible light”的论文。该论文重点关注怎么有效地提高g-C3N4的光催化性能和可见光利用效率,同时也聚焦于怎样降低成本,从而实现工业化应用。具体来说,本论文首先简要地介绍了g-C3N4的发展历史、合成方法、电子结构和物化性能;然后详细说明了一系列的本征态g-C3N4(例如,薄的、高度结晶的、掺杂的、和含孔的g-C3N4)用于可见光催化析氢反应;其次,也具体介绍了一系列的g-C3N4复合材料(例如,金属/g-C3N4,半导体/g-C3N4,MOFs/g-C3N4,碳材料/g-C3N4,导电聚合物/g-C3N4,敏化剂/g-C3N4等)用于可见光催化析氢反应;最后,本论文通过系统的总结g-C3N4光催化剂的文献,提供了一些新的关于这个领域的观点和看法。这篇综述将指导和帮助科研工作者们去不断改善技术,开发新型的g-C3N4光催化剂,逐步地迎合工业生产要求。

  (a) 以三嗪为结构单元连接形成,(b) 以3-s-三嗪为结构单元连接形成

  

  图5. 一系列纳米结构的g-C3N4和g-C3N4复合材料用于可见光催化析氢反应

  在这个领域,我们需要强调一些挑战和新的见解。(1) 光催化机理部分,除了广泛接受的电荷载体转移机制,光催化反应的热力学和动力学过程需要进一步深入探索。(2) 对于本征态g-C3N4,探索结晶性的和大比表面积的g-C3N4将会是两个热门的研究课题。(3) 受纳米材料层级结构的启发,孔与孔相连的g-C3N4三维层级结构具有较高的应用前景,因为它能够显著的增强光吸收和光催化性能。(4) 光催化性能增强机理不应该仅仅局限在“光生电子-空穴对的有效分离”,我们更应该利用一些有效的物理手段和模型计算技术去分析和讨论,得到一个更适合的机理。(5) 光催化性能测试方法应该制定一个统一的标准。(6) 在追求高性能g-C3N4光催化剂的同时,生产成本和环境成本也应该被考虑进去。着眼未来,我们相信这个热门的领域的瓶颈将被克服,逐步实现工业化生产。

  中山大学高海洋教授、西安交通大学杨冠军教授和加拿大不列颠哥伦比亚大学方百增教授为这项工作的通讯作者,博士生廖光福为第一作者,该工作获得了国家自然科学基金(21674130、51873234)和国家青年拔尖人才支持计划的资助。