青岛农业大学马永超教授等在Chemical Engineering Journal报道了“合二为一”策略用于提高非金属聚合物光电转换性能研究

引言

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）材料由于其独特的物理化学特性，在催化、传感等领域有广泛应用。其中，以g-C₃N₄为核心的光催化技术可以通过裂解水产生氢气，受到研究人员的广泛关注。研究表明该材料具有较大的激子结合能。其光电转换效率受限于低的光生载流子产生与分离。形貌调节和构建异质结能够有效地提高激子分离和载流子转移。相比于异质结而言，同质结除了能产生内建电场外，界面处材料相同的组分也可以保证化学键合的完整性。另外，管状形貌可以缩短载流子扩散距离并提供丰富的反应位点。因此，合成管状的g-C₃N₄同质结对于构建高效的g-C₃N₄半导体光电材料具有十分重要的意义。

成果简介

近日，青岛农业大学师进生教授课题组青年教师马永超教授（第一作者/共同通讯）、韩国釜庆国立大学Park Sung Heum教授、长江师范学院王广钊副教授、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室姜文君副研究员（共同通讯）在前期有关半导体光电材料构-效关系探索的基础上，通过一步热聚合方法制备了管状多孔的g-C₃N₄同质结材料。光谱学研究表明三嗪单元和吡啶单元的存在促进了g-C₃N₄材料中激子的有效分离且抑制了载流子的复合。理论计算表明该同质结可以降低氢的Gibbs自由能且有利于水的吸附。这些特性极大地增强了该材料的产氢性能。相关成果以题为“In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight”（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128802）发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal（IF=10.652）上。

图文导读

图1 (a) 原始的氮化碳纳米片和 (b, c) 富含吡啶的氮化碳纳米管的SEM 图。 原始的氮化碳纳米片的(d)TEM图。富含吡啶的氮化碳纳米管的(e, f) TEM, (g) HRTEM 和 (h) TEM mapping图。(j) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的 N 1s XPS谱图和 (k) ¹³C 固态NMR谱。

图2 (a) 所制备的氮化碳的XRD图。 (b) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的UV-vis吸收图。 (c) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的态密度图。(d) 脲、脲和半胱氨酸混合物的TGA-MS 图。

图3 (a) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的光催化产H₂性能曲线图。(b) 半胱氨酸改性的氮化碳的产H₂性能柱状图。 (c) 光照15小时富含吡啶的氮化碳纳米管的产H₂图。(d) 氢吸附自由能。

图4 (a) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的VB-XPS谱图和(b) T_auc 图。 (c) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管能带结构示意图。氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的(d) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的稳态PL图、(e) EPR图和 (f) EPR曲线积分图。

图5 (a) melem和Py-melem的分子结构示意图。(b) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的共轭聚合物的示意图。(c) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的VBM 和 CBM 分布。 (d) 左图: melem基聚合物和Py-melem基聚合物通过计算得到的能级位置及VBM和CBM。右图：形成同质结之后的能带结构调节示意图。 (e) 光催化性能提高的可能机理。

小结

本实验提出了一种制备管状氮化碳同质结的策略。该材料具有增强的激子分离与载流子传输性能，大大提高了光解水产氢速率。本实验结果为设计和制备性能优异的氮化碳同质结提供了一个新思路。

文献链接

In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight, (Chemical Engineering Journal, 2021 doi.org/10.1016/j.cej.2021.128802).

本文由青岛农业大学马永超投稿。