氧掺杂调控氮化硼中电子定向传输促进分子活化

朱永法

清华大学化学系，北京 100084

氧掺杂调控氮化硼中电子传输有效活化反应物分子9,10。

二维光催化材料因为独特的电子结构、丰富的活性位点等优势在环境和能源催化领域有着广泛的应用1,2。一般来说，光催化材料的性能与其载流子的迁移效率息息相关。而二维非金属光催化材料，例如石墨相氮化碳(g-C3N4)，在光催化反应中常常面临着光生载流子复合过快的问题3,4，光催化性能往往不尽如人意。一方面，g-C3N4由高度π共轭的C-N杂环构成。此外，C和N元素之间的电负性差值较小，因此电子在g-C3N4面内表现为无序传输。另一方面，g-C3N4的片层和片层之间弱的范德华力导致电子无法在层间实现有效的传输。以上因素造成了光生载流子无法实现有效分离，从而难以与反应物分子有效结合，促进其进一步活化。

六方相氮化硼(BN)作为一种新型的类石墨烯二维材料，近年来在催化领域受到了越来越多的关注5,6。不同于g-C3N4等二维非金属材料，BN中B和N元素的电负性差值较大，因此B-N共价键表现出一定的离子性，促使电子可以在面内实现定向转移，可能实现反应物分子的有效捕获与活化。然而，BN具有较大的禁带宽度(～6 eV)，对光的吸收能力较弱，阻碍了其在光催化领域的应用。

为了拓宽BN在光催化领域的应用，科研工作者们通过掺杂改性、构建异质结等手段增强其对于光的利用能力7,8。2015年，福州大学王心晨教授课题组设计并合成了一系列C掺杂BN(BCN)纳米片，通过改变C掺杂的比例来调节BN的禁带宽度，从而不同程度提升其对光的吸收能力7。进一步地，在BCN表面修饰CdS纳米颗粒，所构建的CdS/BCN异质结展现出优异的CO2还原性能8。

近日，西南石油大学周莹教授课题组通过原位引入与B和N电负性差值较大的O元素，合成了超薄(3-4 nm)的BN纳米片(BO0.2N0.8)9。研究发现，O的引入提升了BN对于光的响应能力。更重要的是，引入的O与材料中的B元素形成了B―O键，实现了电子的定向传输和局部富集，促进了CO2气体的吸附。因此，CO2气体在BN表面的吸附形式从物理吸附转变为化学吸附。同时，CO2气体分子中的O 原子与表面发生了键合作用，形成了新的O―B―O化学键。O―B―O化学键作为电子传输通道，为CO2气体分子定向传输电子，促进其进一步活化。该团队创新性地借助13CO2同位素标记的手段，在CO2吸附的原位红外实验中，检测到吸附态CO2分子中C―O键的吸收峰发生了13C位移。通过位移波数的变化，证实了CO2分子吸附方式的转变，确定了CO2分子在BO0.2N0.8表面具体的吸附构型。

在此基础上， 他们设计并构建了g-C3N4/BO0.2N0.8范德华异质结，提出了O的引入对于二维复合材料界面电子传输的影响机制10。研究发现，O的引入促进了g-C3N4/BO0.2N0.8界面处电子传输通道的形成。同时，由于g-C3N4和BO0.2N0.8具有较大的电势差，在光照下，产生的光生载流子可以得到有效分离。大部分的光生电子被富集到BO0.2N0.8一侧，与O2结合生成了大量的·O2−，显著提升了材料的光催化氧化能力。

上述研究工作近期在ACS Applied Materials& Interfaces上发表9,10。这些工作不仅拓宽了氮化硼在光催化领域的应用，而且为调控二维材料表面和界面中电子的定向传输提供了新的思路。