硼掺杂与氮缺陷协同增强石墨相氮化碳光催化产氧性能

杨金龙

中国科学技术大学，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥 230026

含硼杂质与氮缺陷的g-C3N4 在光照条件下的电荷转移路径示意图。

受自然界光合作用启发，半导体光催化分解水产氢/产氧为太阳能的转化利用提供了一种有效途径，受到研究者的持续关注1,2。自2009年以来，非金属聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C3N4)因其前驱体来源广泛、制备方法简单、环境友好无重金属污染、光化学稳定性好、能带结构适合光催化产氢/产氧等优点在光催化分解水领域得到了积极广泛的研究3,4。在过去十年，科研工作者们已经发展了基于热力学与动力学过程的多种改性策略提高g-C3N4的光催化产氢性能，并且已经获得了很高的量子效率(34.4%@400 nm)4,5。然而，关于g-C3N4光催化产氧半反应—全分解水限速步的研究却很少。目前报道的最高产氧量子效率只有1%@380 nm6。效率如此低的主要原因是g-C3N4载流子分离效率低、水氧化驱动力弱及可见光吸收有限等瓶颈问题一直得不到有效的解决，这也严重限制了g-C3N4光催化全分解水的发展进程。

最近，针对以上问题，西安交通大学沈少华教授课题组在国际材料领域权威刊物Advanced Materials上发表题为《掺杂与缺陷协同调控石墨相氮化碳能带结构以增强光催化产氧性能》的研究性文章7，提出了一种通过调控g-C3N4电子结构来优化其能带结构及载流子传输性质，从而增强光催化产氧性能的新思路。作者采用简易固相法结合快速升温策略，在惰性气氛下煅烧g-C3N4与硼氢化钠的混合物，成功将硼杂质与氮缺陷同时引入到g-C3N4分子结构中，使得g-C3N4的导带和价带位置同时大幅度地向正电位方向移动，有效地增强了其可见光吸收能力，同时提高了水氧化的驱动力；除此之外，新生的电子结构含有丰富的不饱和位点，能诱导产生层间强烈的C-N相互作用，导致有效的电子激发并加速载流子传输。相对于未改性g-C3N4，同时含有硼杂质和氮缺陷的g-C3N4的光催化产氧活性得到了显著的提升，最高产氧速率达到561.2 μmol·h-1·g-1，远高于先前报道的结果。结合一系列先进的实验表征及理论计算，该工作清晰地识别了硼杂质与氮缺陷在g-C3N4中确切位置，揭示了含硼杂质与氮缺陷的g-C3N4的分子结构的演化过程，同时澄清了以往报道中存在的一些模糊甚至有疑问的分析，对于半导体材料的电子结构解析极具参考价值。

该工作提出了一种简单有效的方法去调控半导体光催化剂的能带结构和电子结构，为太阳能的高效转化及利用提供了可借鉴的新思路。此项工作得到了国家自然科学基金委“能源有序转化”基础科学中心项目、国家重点研发计划项目、中组部万人计划青年拔尖人才、中央高校基本科研业务费等经费支持。