黑龙江大学付宏刚教授等人Adv. Mater.：单原子铜与C3N4层形成的有效电荷分离/传输系统应用于光催化

引  言

聚合物氮化碳（C₃N₄）是一种层状有机半导体光催化剂，拥有可调控的能带结构、优异的高热和化学稳定性、低廉的价格，在光催化分解水、有机选择性光合成等领域显示出优异的性能和广阔的应用前景。然而，块体C₃N₄低的光生电荷分离和传输效率制约其在实际中的应用；研究者采用元素掺杂、异质结构建等策略用于解决上述问题。如何建立更有效的层内和层间电荷传输通道，提高光催化性能仍然是一个挑战。引入原子尺度金属被认为是提高C₃N₄电荷分离和传输能力的有效途径之一。例如，将金属单原子（如Pt、Pd等）锚定到C₃N₄层内，能够有效改善层内电荷传输，但其对层间电荷传输能力的提升作用不明显。而且，金属单原子在C₃N₄中的准确配位环境尚不明确，对电荷输运动力学过程影响有待深入研究。因此，迫切需要开发新的合成策略实现金属单原子在C₃N₄层内和层间同步均匀锚定，以构建有效的电荷传输通道，实现光催化性能的提升。

Adv. Mater. 2020, 2003082, DOI: 10.1002/adma.202003082

成果简介

近日，黑龙江大学付宏刚教授、蒋保江研究员和中国科技大学张群教授报道了一种新的合成策略，即通过将叶绿素铜钠盐插入到三聚氰胺-三聚氰酸组装的超分子前驱体层间，经热聚合实现Cu原子与C₃N₄中N的配位（Cu-Nx）。X射线吸收谱结合理论模拟等手段证实：每个Cu原子可以与一个C₃N₄层内的三个N原子或位于两个相邻C₃N₄层的四个N原子配位，形成两种不同类型的Cu-Nx作为有效电荷传输通道促进电荷快速转移。超快吸收光谱进一步证实Cu-Nx能显著提高光生电荷在C₃N₄层内和层间传输速度，因此，催化剂展现出优异的可见光催化析氢性能(212 mol h^-1/0.02 g催化剂)，为块体C₃N₄性能的30倍，此外，在可见光催化下苯的氧化转化率高达92.3 %，选择性达到99.9 %。

 图文导读

图1：

a) 单原子铜/C₃N₄的合成设计方案

b-d) 单原子铜/C₃N₄的TEM和mapping表征

e) 单原子铜/C₃N₄的SEM表征

f) 单原子铜/C₃N₄的XRD表征

图2：

a-d) 单原子铜/C₃N₄与参比样品的同步辐射吸收谱

c-h) 单原子铜/C₃N₄与参比样品的理论计算

图3：

a) 单原子铜/C₃N₄与参比样品的超快吸收谱

b) 单原子铜/C₃N₄与参比样品的稳态荧光光谱

c) 单原子铜/C₃N₄与参比样品的光催化析氢性能

图4：

单原子铜/C₃N₄催化剂的可见光催化苯的氧化性能

结论

这项工作提出了一种简单而经济有效的合成策略，在C₃N₄层内和层间均匀锚定Cu单原子(Cu-Nx)，建立高效的Cu-Nx电荷传输通道，表现出优异的光催化析氢和光催化氧化苯至苯酚的性能，同时更好地理解了金属单原子与C₃N₄之间的相互作用、以及对电荷输运动力学过程的影响，从而为单原子光催化和光合成方向发展提供新的研究思路。

文献链接

A Promoted Charge Separation/Transfer System from Cu Single Atoms and C₃N₄ Layers for Efficient Photocatalysis

Adv. Mater. 2020, 2003082, DOI: 10.1002/adma.202003082

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003082

本文由黑龙江大学付宏刚教授、蒋保江研究员团队投稿。