威尼斯886699廉孜超教授课题组：通过有效的氢溢出途径调节超薄g-C3N4中的电子密度以增强光催化析氢

  第一作者：高芳芳，肖涵

  通讯作者：廉孜超*

  通讯单位：威尼斯886699

  光催化技术因其环保、清洁、零污染的优势在环境修复、能源生产、光化学合成等方面的广泛应用而备受关注。利用半导体光催化剂催化水裂解制氢以缓解现代能源危机是一种绿色环保的方式。其中，无金属聚合物石墨氮化碳(g-C₃N₄)作为一种典型的可见光驱动光催化剂，由于其适合析氢反应的能带结构而引起了人们的极大兴趣。然而，由于纯g-C₃N₄光诱导载流子重组速度快，捕获位点深，表面积小，活性位点密度低等严重限制了光催化析氢性能。一种有效的策略是通过抑制g-C₃N₄的本征深电荷捕获位来提高其能带结构中的浅电荷捕获位，从而加速活性电子的传递。

  近日，来自威尼斯886699廉孜超教授课题组，在期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Modulation of Electronic Density in Ultrathin g-C₃N₄ for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution through an Efficient Hydrogen Spillover Pathway”的文章。该文章通过简单的热处理策略，成功地合成了缺电子B和富电子P共掺杂g-C₃N₄超薄材料BPCN，并以此为典型模型，研究了电子密度的变化和光催化HER之间的关系。通过掺杂方法可以调整BPCN的能带结构和载流子迁移，从而增强HER的光催化活性。共掺杂光催化剂的设计为构建高效稳定的光催化析氢体系提供了有效途径。

  本工作通过两步热聚合法合成了缺电子B和富电子P共掺杂g-C₃N₄的超薄的纳米片（BPCN）。特殊的超薄纳米片结构有利于增大材料的比表面积，增加活性位点并且有助于光催化剂间载流子的快速分离和传输。

  研究发现，在可见光（波长大于420 nm）照射下， BPCN在HER中的光催化活性高于BCN (2310 μmol h⁻¹ g⁻¹)、PCN (1346 μmol h⁻¹ g⁻¹)、超薄g-C₃N₄-ECN (538 μmol h⁻¹ g⁻¹)和块体CN (145 μmol h⁻¹ g⁻¹)。在420 nm和380 nm处，BPCN的AQY分别为11.4%和19.1%，优于大多数基于g-C₃N₄的催化剂。

  本研究结合飞秒瞬态光谱技术详细的揭示了光催化载流子动力学和电荷转移路线。发现在该研究体系中，富电子P和缺电子B在BPCN中分别充当电子供体和受体，协同促进了g-C₃N₄中有效的浅层电子俘获，有效抑制了光生电子与空穴的复合。该研究成果也为进一步确定光催化活性和光诱导载流子转移途径之间的关系铺平了道路。

  通过DFT计算，B和P的协同作用可以促进光生载流子的高效分离。根据BPCN上的吸附能和过渡态的计算，P对OH*和B对H*的强吸附是通过H₂O分解发生的。氢从P位点向B位点溢出，B位点被认为是HER的活性位点。因此，BPCN在HER中的高光催化活性归因于B和P共掺杂、氢溢出过程和新的电荷转移的协同作用。

  Modulation of Electronic Density in Ultrathin g-C₃N₄ for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution through an Efficient Hydrogen Spillover Pathway. Applied Catalysis B: Environmental 2024, 341, 123334.

  廉孜超 教授 简介：博士师从日本京都大学化学研究所Toshiharu Teranishi教授，随后继续在日本京都大学Toshiharu Teranishi教授课题组从事博士后研究工作。2020年加入威尼斯886699，现为威尼斯886699化学系特聘教授，上海市千人特聘专家、上海市东方学者特聘教授、浦江人才和日本JSPS特聘研究员，独立课题组PI。主要研究领域：合成无机化学和超快光谱学研究：光生电荷调控应用于光催化或光电催化环境污染控制界面化学。至今共发表SCI论文35篇，以一作或通讯发表SCI论文22篇，包括Nat. Sustain.、Nat. Commun.、JACS（2篇）、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.（4篇）、Appl. Catal. B-Environ.（4篇）等，IF>10的16篇，论文他引1500多次，3篇曾为ESI论文，获JACS、JPCC等封面文章，荣获上海市自然科学二等奖（3/4），主持国家自然科学基金项目1项、上海市人才项目2项和上海市基金2项等，获授权专利6件。JACS、Angew等特邀审稿人。

  高芳芳：威尼斯886699廉孜超教授课题组硕士研究生，研究方向为纳米功能材料合成和光催化水析氢协同污染物降解。

  肖涵：威尼斯886699廉孜超教授课题组硕士研究生，研究方向为纳米功能材料合成和光催化水析氢及协同污染物降解。

  课题组主要研究方向：

  1. 环境功能材料合成（量子点或纳米晶），表面等离子体效应材料，瞬态吸收光谱

  2. 光催化或光电催化废水制氢和二氧化碳资源化利用，环境污染控制化学

  3. 高级氧化技术处理水中污染物

  4. 计算材料科学VASP, CP2K, FDTD

  课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Lian_Zichao