石墨相氮化碳光催化产氢性能提升策略研究进展

邹 菁，廖国东，王海涛*，江吉周，2

(1.武汉工程大学化学与环境工程学院/环境生态与生物工程学院/绿色化工过程教育部重点实验室，武汉 430205；2.湖北省地质实验测试中心自然资源部稀土稀有稀散矿产重点实验室，武汉 430034)

利用太阳能光解水制氢 (H2)是一种极具前景的可再生能源生产技术.自1972年两位日本学者在二氧化钛(TiO2)单晶上首次实现了光催化水分解产氢以来，历经近50年的努力，研究者们已成功将金属氧化物、硫化物、非金属及贵金属半导体等多种无机或有机体成功应用于光催化分解水制氢领域[1-3].其中，石墨相氮化碳 (g-C3N4)作为一种非金属有机半导体材料，因具有合适的禁带宽度、可调的微纳结构、良好的化学稳定性和可见光响应，是一种极具发展前景的半导体光催化产氢材料[4-7].另外，g-C3N4原材料价格低廉且合成过程简便环保，完全满足工业化生产的需求[8].因此，g-C3N4一直是光催化产氢领域的热门研究对象之一.虽然g-C3N4在光催化产氢领域拥有巨大的发展潜力和广阔的商业化应用前景，但是未经改性的g-C3N4光吸收范围窄、比表面积小、光生载流子分离及迁移速率慢，而且电子和空穴易复合，常导致其光催化产氢性能不佳[9-11].为了改善上述不足，研究者们通过多种方式对g-C3N4进行改性和优化研究，以提升其光催化产氢性能.本文从微纳结构调控、异质元素掺杂和异质结构建三方面系统综述了近年来国内外有关g-C3N4基光催化剂的设计、优化及产氢性能提升策略(图1)，最后对g-C3N4基产氢光催化剂的研究做出展望.

图1 高效g-C3N4基光催化剂的设计思路与作用机制Fig.1 Design idea and mechanism of high-efficiency g-C3N4-based photocatalysts

1 g-C3N4光催化剂产氢性能提升策略

1.1 微纳结构调控

太阳光的利用效率是提高光催化剂性能的决定性因素之一.虽然g-C3N4的带隙约为2.7 eV可以显示出一定的可见光响应，但其响应区间仅限于波长小于460 nm的紫外可见光，因而g-C3N4在实际应用中仅能吸收太阳光全光谱中很小的一部分，这必然导致其较差的光催化产氢活性[12].相关研究已经证实对g-C3N4进行微观结构设计可有效增强其光响应能力，并显著提高g-C3N4光生电荷载流子的产生，从而增强其光催化产氢性能[13-14].另外，g-C3N4在常规制备过程中因缩聚反应的层堆叠效应，常导致g-C3N4的比表面积过低，通过控制反应条件对g-C3N4的形貌进行可控调节不仅可以有效增加g-C3N4的比表面积及光催化活性位点，还可以显著提升g-C3N4光生载流子的迁移率，进而增强g-C3N4的光催化产氢性能[15-16].

Zhang等[17]受植物“叶子花叶”高效光利用率的启发，首次通过尿素与双氰胺—甲醛(DF)树脂共聚合的方法成功合成一种新型藤蔓状g-C3N4(V-CN，图2所示).V-CN其比表面积较大的叶片镶嵌结构不仅可以提高太阳光的有效利用率，而且还可以暴露出更加密集的光催化反应位点，因此优化后的V-CN在可见光下具有超高的光催化产氢活性(13.6 mmol·g-1·h-1)和显著的表观量子产率(12.7 %，420 nm)，其产氢性能约为传统g-C3N4的38倍.此外，DF树脂的引入还可以进一步优化V-CN的能带，扩大其光吸收范围，改善其结晶程度和界面电荷传输能力，从而使其光催化性能显著提升.Han等[18]以双氰胺为原料，采用一种简单有效的无模板法，首先通过真空冷冻干燥技术形成纤维状的网络结构，随后经高温煅烧产生富含介孔的海藻状g-C3N4.与块体g-C3N4相比，所制备的V-CN在420 nm 的光照下表现出高达9 900 μmol·h-1·g-1的光催化产氢性能，并且在420 nm 处具有7.8%的量子效率，如此优异的催化活性主要是由于海藻状g-C3N4独特的纤维形态以及丰富的介孔孔隙.类似地，Mo等[19]利用自组装方法，仅使用三聚氰胺为原料，无需任何模板和表面活性剂即可获得富含缺陷的g-C3N4纳米管.它的氢释放速率高达118.5 μmol·h-1，在420 nm处的量子效率为6.8%.廖国东等[20]通过液氮剥离法成功制得层厚度约为1 nm的二维g-C3N4纳米片，其比表面积(BET)高达216 m2·g-1，进一步的光催化产氢性能测试结果表明二维片状g-C3N4的光催化活性较块状g-C3N4提升了近60倍.

(a)SEM图；(b)结构模拟示意图；(c)TEM图；(d)HRTEM图；(e)传统多层堆叠块状g-C3N4光吸收示意图；(f)“叶镶嵌”结构的光吸收示意图 (a)SEM image；(b)structural simulation diagram；(c)TEM image；(d)HRTEM image；(e)Traditional multilayer stacked block g-C3N4 light absorption diagram；(f)Schematic diagram of light absorption of “leaf mosaic”structure图2 V-CN光催化剂[17]Fig.2 V-CN photocatalysts[17]

Nasir等[21]通过化学气相沉积法将零维g-C3N4量子点成功沉积到一维TiO2纳米纤维上，一方面，高表面积的一维TiO2纳米纤维可为电子的快速运动提供较为平滑的路径，另一方面零维g-C3N4量子点可有效促进光子在光催化表面的吸收能力，而且尺寸较小的g-C3N4量子点还可以显著降低电荷的复合能力，从而使复合材料的光催化活性较块状g-C3N4提升了6倍之多.Liu等[22]通过直接煅烧含有一定量 PVP 的三聚氰胺—氰酸前体开发出一种新型的具有 N 掺杂碳物质 (CNNC)的三维石墨氮化碳 (CN)多孔球.进一步的研究表明N掺杂碳的引入不仅可以显著提高可见光谱的利用率，而且N原子的进入还会引起g-C3N4平面结构的更大畸变，从而极大提高CN光生电子-空穴对的分离效率.因此，CN的光催化析氢(PHE)性能比 CN 高 7.5 倍.

此外，形貌不同的g-C3N4其电子束缚状态存在较大差异，因此对g-C3N4形貌及尺寸的可控调节同样也可以有效控制g-C3N4的光催化性能.传统上由高含氮碳前体热分解所得g-C3N4通常是松散无孔的，而且层与层之间具有较强的范德华力，这极大限制了g-C3N4在光催化过程中光生载流子的分离和转移效率，因而表现出较差的光催化性能[23-25].为了改善g-C3N4这一缺陷，迄今为止，研究者们已经开发出诸多新方法来调控g-C3N4的微纳结构，包括酸插层剥落，超声辅助剥落和热氧化等，以求弱化g-C3N4的层间键[26-29].例如，Montigaud等[30]通过高温热处理成功让块状PCN纳米片拥有强亲水性和Lewis碱性的薄原子层状结构.薄原子的PCN片中含氧及含氨基基团的形成不仅可以显著改善催化材料的电荷分离，而且还可有效提升催化剂本体的比表面积，进而暴露出丰富的光催化活性位点.因此，所合成的薄原子结构PCN较块状PCN纳米片展现出增强的光催化产氢性能.Lu等[31]通过气体模板法成功制得具有快速载流子复合速率的g-C3N4材料，光催化性能测试结果表明这种超薄结构的g-C3N4可以有效缩短光催化过程中光生电子的传输路径，进而提高载流子的迁移速率，同时还将提供更大的比表面积，因而赋予其较强的氧化还原性能和优异的光催化产氢活性.

1.2 元素掺杂

异质元素掺杂是催化材料改性研究中最为常见的一种策略，通过异质非金属或金属元素的掺杂，可有效调节催化剂材料的能带结构，从而改善其电子结构和光学性质[32-33].因此，近年来，异质元素掺杂普遍被认为是一种有效且简便的提高g-C3N4光催化性能的途径.g-C3N4的光催化活性取决于其氧化还原电位.只有受体和供体的电位比g-C3N4的导带(conduction band，CB)和价带(valence band，VB)更负和更正时，在热力学上才可发生光氧化还原反应[34].通常，具有较低电位的VB允许增强空穴的氧化性，而较高的CB值则会产生具有较高还原能力的电子[35].异质元素原子不仅可以替换g-C3N4晶格点阵中的C或N原子，而且某些特定条件下掺杂的原子还可存在于g-C3N4的平面空层中，这将会使g-C3N4的分子轨道和异质原子掺杂轨道间发生杂化，并有效调控g-C3N4的VB和 CB电子结构和电位值，从而增强g-C3N4的光催化产氢性能[36].

1.2.1 金属元素掺杂 金属掺杂不仅可以有效调节g-C3N4的能带结构，而且还可显著改善g-C3N4的光吸收范围，从而增强其带隙的光吸收效率，提升g-C3N4的光催化产氢性能[37].此外，相关研究表明通过金属和g-C3N4中N位点间的强离子偶极相互作用，还可以加快光生载流子的转移和分离速率，并优化电荷的分离和转移.例如，Oh等[38]通过将Fe(II)Cl2和双氰胺的混合物在600 ℃下加热4 h，成功合成了Fe2+功能化的g-C3N4(图3).Fe2+可以与g-C3N4的末端N位点配位形成Fe掺杂的g-C3N4.掺杂进入C3N4中的Fe2+将扩展改性g-C3N4的π-共轭结构，从而促进电子离域以提高载流子迁移率并促进激子分离和界面电荷传输.通过金属阳离子和带负电的N之间强吸引力，g-C3N4可轻松捕获金属阳离子从而实现g-C3N4的异质金属掺杂，从而显著提升g-C3N4的可见光吸收效率并减缓空穴和电子复合速率，最终获得光催化产氢性能优异的g-C3N4基光催化材料[39].

(a)热缩合合成和拟议结构的示意图；(b)TEM图；(c)HRTEM图；(d)电子衍射图(a)Schematic diagram of thermal condensation synthesis and proposed structure；(b)TEM image；(c)HRTEM image；(d)Electron diffraction image图3 Fe-g-C3N4光催化剂[38]Fig.3 Fe-g-C3N4 photocatalysts[38]

1.2.2 非金属元素掺杂 g-C3N4的异质非金属元素掺杂机制一般为杂原子(S，P，B，O等)取代g-C3N4晶格点阵中的基质原子(N或者C)，或者杂原子驻留在g-C3N4的平面空穴内(图4)，从而调节g-C3N4的电子、光学以及能带结构[40].而且非金属原子电负性和电离能通常较大，因此掺杂非金属元素可使g-C3N4较易于其它材料形成共价键，从而显著改善g-C3N4的光催化产氢性能.例如，Guo等[41]报道了一种具有特殊微纳米结构的六方管状磷掺杂g-C3N4(P-TCNs).一方面，层状堆叠结构的六角管状形貌有效提升了g-C3N4比表面积，从而暴露出更多的光催化活动位点.另一方面，磷的掺杂还显著降低了g-C3N4的带隙能量，进而增加其电导率，并有效抑制光生电子—空穴对的复合，因此所制备P-TCNs的可见光光催化产氢效率较未掺杂前有了显著提升.

图4 g-C3N4中不同非金属元素的掺杂位点[40]Fig.4 Doping sites of different non-metallic elements in

除上述异质非金属掺杂改性外，g-C3N4的光催化产氢活性还可以通过自掺杂的方式得到进一步地提升.比如将g-C3N4微观结构中的桥接的 N 原子替换为C原子，可以形成离域的大π键，进而加快电子的转移速率，增强g-C3N4的导电性.基于此，Li等[42]在空气和N2的混合气氛中对g-C3N4进行长时间的热处理，以改变聚合物的结构单元，成功制备出富含C的g-C3N4纳米片(CNSC，图5).由于C原子的自掺杂生成的富碳g-C3N4纳米片表现出较单纯g-C3N4更强的光致电子离域能力.而且所制得CNSC还保留了较高的比表面积和更多的本征光催化活性位点.因此，CNSC表现出比g-C3N4纳米片(CNS)和块状g-C3N4(CNB)更加优异的光催化析氢速率.Mane等[43]采用高氮含量的3-氨基-1，2，4-三唑(3-AT)通过纳米硬模板法成功制备出低能带隙 (2.2 eV)的高度有序石墨介孔 C3N5(MCN-8).微观结构表征结果证实 MCN-8的C-N结构骨架相较于g-C3N4完全不同，因而展现出比g-C3N4更佳的光催化产氢活性.

此外，二种或两种以上的多元异质非金属元素共掺杂策略也被广泛用于增强g-C3N4的光催化产氢性能.g-C3N4的多元非金属共掺杂可以通过负移CB来优化电子结构，从而获得具有更佳电导率的g-C3N4基光催化材料.例如，Yang等[44]使用K2HPO4对掺铟g-C3N4光催化剂(In-g-C3N4)进行磷化处理，成功获得铟、磷共掺杂g-C3N4光催化剂(In，P-g-C3N4).实验结果和理论模拟表明，掺杂的铟离子位于g-C3N4的Wane之间，而磷原子则通过取代g-C3N4中的基质原子形式P=N键存在于g-C3N4的缺陷之中.铟和磷的共掺杂不仅扩展了g-C3N4对可见光区域的响应，而且还协同促进了g-C3N4光生载流子的分离和迁移.因此，In，P-g-C3N4光催化剂表现出高达 4.03 mmol·h-1·g-1的光催化产氢速率，约为块状g-C3N4(0.08 mmol·h-1·g-1)的50倍.Wu等[45]使用双氰胺作为g-C3N4前体，以谷胱甘肽作为C、O掺杂源，通过简单的无模板自组装方法合成了具有分级多孔纳米带结构的C、O共掺杂g-C3N4(C-O/CN).g-C3N4经C、O共掺杂后，C、O异质原子取代g-C3N4结构中的N原子，导致g-C3N4带隙变窄，从而使其更加有效地吸收可见光，并且C、O原子的共同引入还致使g-C3N4的CB明显负移，进而产生更强的电子还原性.因此在可见光 (λ >420 nm)照射下C-O/CN显示出高达18.38 mmol·h-1·g-1的产氢速率，而且在420 nm 处AQY高达为9.83%，其光催化产氢活性较未掺杂的块体g-C3N4提升将近80倍.

1.4 异质结构建

g-C3N4通过偶联作用，与其它半导体材料复合，会形成一种不同于二者能带构型的全新能带结构，而且两种或多种半导体材料合理构造的异质结其界面处通常会形成内建电场，进而加速光生电荷-空穴对的传输，并显著提升g-C3N4的光催化产氢活性[46].另外，异质结的构建还可以有效改善g-C3N4光致电荷的分离，并扩展其可见光吸收范围[47].因此，g-C3N4/异质结的构建被认为是改善g-C3N4电荷分离/转移过程从而提高其总体光催化效率的最可行途径.由于g-C3N4独特的物理化学性质，诸多金属纳米粒子和半导体均可与g-C3N4相结合，从而构筑不同类型的异质结构.CNBH系统一般可分为一下5个主要类别：II型异质结、Z型异质结、S型异质结、肖特基结和同型异质结[48-51].

1.4.1 基于g-C3N4的II型异质结 g-C3N4的II型异质结是由宽带隙的g-C3N4(SC I)和另一种小带隙半导体(SC II)组合而成，而且该半导体须拥有比g-C3N4更负的CB水平[52].在光照射下，当SC I的CB和VB水平大于SC II的CB和VB位置时，光生空穴(h+)从SC II的VB迁移到SC I的VB，而产生光电子(e-)则从SC I的CB迁移至SC II的CB，这种相反方向上的e-转移和H+迁移可产生有效的电荷分离，从而极大地促进g-C3N4的光催化产氢效率.例如，Shen等[53]通过水热煅烧法合成了b型二氧化钛和g-C3N4纳米片的II型异质结光催化剂(b-TiO2/g-C3N4，图6)，进一步研究表明b-TiO2和g-C3N4之间的紧密接触显著促进了催化材料中的电荷分离，因此b-TiO2/g-C3N4与单纯g-C3N4或TiO2相比，表现出更加优越的光催化产氢活性.Hao等[54]在g-C3N4表面引入锌空位缺陷修饰的硫化锌(ZnS)，构建出ZnS和 g-C3N4的II型异质结光催化剂，ZnS/g-C3N4表现出扩大的光吸收范围和降低的析氢过电位.同时ZnS中大量的锌空位缺陷还可协同增强光生电荷的分离.因此，所制备的g-C3N4/ZnS复合材料的光催化析氢活性比纯g-C3N4高30倍以上.

(a)SEM图像；(b)TEM图像；(c)HRTEM图像；(e)形成示意图；(f)光催化机理图(a)SEM image；(b)TEM image；(c)HRTEM image；(e)schematic diagram of formation；(f)photocatalytic mechanism图6 b-TiO2/g-C3N4异质结[53]

1.4.2 基于g-C3N4的Z型异质结 在g-C3N4的Z型异质结中光诱导电荷的转移路径与上述Ⅱ型异质结中的转移路径截然不同.通常在可见光辐射下，光催化剂I(PC I)和光催化剂II(PC II)均可被诱导产生电子和空穴[55].对于g-C3N4的Z型异质结而言，在PC II的CB中产生的电子将通过形成的异质结或特殊电子介体转移到PC I的VB中，并与PC I的光致空穴耦合[56].因此，拥有强还原性的光生电子将保留在PC I的CB中，而具有强氧化性的空穴则分别留在PC II的VB中[57].据此，Yang等[58]首次通过一步原位热生长法成功构建出碳酸氧铋和g-C3N4的Z型异质结(Bi2O2CO3/g-C3N4，图7).该方法不仅实现了Bi2O2CO3的均匀分散，而且还使Bi2O2CO3和g-C3N4接触更为紧密.优化后的Bi2O2CO3/g-C3N4光催化剂其H2产生速率约为965 μmol·g-1·h-1，是单纯g-C3N4的2.86倍.进一步分析表明Bi2O2CO3相的引入不仅扩大了复合材料的表面积，而且还有效增强了g-C3N4对可见光的吸收效率，从而显著提升g-C3N4的光催化产氢效率.Xu等[59]通过一种过渡金属氧化物(TMO)介导的方法原位构建出TMO和g-C3N4的Z型异质结.TMO的引入可产生在平面方向上聚合的二维 g-C3N4中间单元，将TMO刻蚀去除后即可获得厚度约为1.0 nm，横向尺寸最大为10 μm的薄层二维 g-C3N4.通过这种途径所形成的Z型异质结其界面接触紧密，而且研究证实不同TMO介质将赋予g-C3N4不同的光催化产氢活性，尤其是Co3O4/g-C3N4复合材料，由于其较小的光诱导电荷淬灭概率以及较高的氧化还原能力，在同类型TMO/g-C3N4Z型异质结中表现出最优的光催化产氢效率.

(a)电荷转移机制图；(b)光催化产氢活性活性比较；(c)TEM；(d)HRTEM；(e)PL光谱(a)Charge transfer mechanism diagram；(b)Photocatalytic hydrogen evolution activity comparison；(c)TEM image；(d)HRTEM image；(e)PL spectrum图7 TMO/g-C3N4异质结[59]Fig.7 The heterojunction of

1.4.3 基于g-C3N4的S型异质结 近年来，为了针对传统异质结的弊端，Yu等[60]研究者们提出了一种新型的S-型异质结.S型异质结体系主要由两种n型半导体光催化剂组成，其中这两种半导体分别承担氧化光催化剂和还原光催化剂的角色.从宏观的角度来看，S型异质结中的电荷转移类似于“阶梯”，而从微观的角度来看则类似于“N”型[61].因此，高还原性电子将在还原光催化剂的CB中聚集，引发还原反应，而高氧化性空穴则在氧化光催化剂的VB中富集，发生氧化反应，从而在区域空间中使电荷可以有效分离.

(a)合成示意图；(b)电子转移示意图(a)Schematic diagram of synthesis；(b)Schematic diagram of electron transfe图8 2D/2D WO3/g-C3N4异质结[62] Fig.8 The heterojunction of 2D/2D

Fu等[62]通过静电自组装法制备了超薄的二维WO3和二维g-C3N4的S-型异质结光催化剂(2D-2D WO3/g-C3N4，图8).所形成的S-型异质结一方面有效抑制了高氧化还原电势电子-空穴对的重组，另一方面还显著提升了电子和空穴的转移效率，从而赋予WO3/g-C3N4复合材料优异的光催化产氢性能，其最佳H2产生活性达纯g-C3N4的1.7倍.另外，Ren等[63]通过简单的在水热法中在g-C3N4表面原位沉积CdS纳米片，成功构建出一种无助催化剂的二维 CdS和二维g-C3N4的S型异质结光催化剂(2D-2D CdS/g-C3N4).光催化产氢性能测试结果表明，最佳的2D-2D CdS/g-C3N4S型异质结其H2生成率在无助催化剂的光催化体系中几乎是纯g-C3N4的3 060倍.

1.4.4 基于g-C3N4的肖特基异质结 研究表明金属纳米颗粒与g-C3N4偶联同样可以提高g-C3N4的光催化活性[64].金属与g-C3N4之间的光生电荷转移与半导体修饰g-C3N4间的光生电荷转移不同.当半导体与金属接触时，两者会在界面处产生接触电势差(肖特基势垒).这种电势差的存在可引起光生电子从半导体到金属的定向迁移，从而大大提高g-C3N4的电荷分离效率[65].而且由于金属表面上的等离振子共振(SPR)效应，肖特基异质结的构建还可以显著提升g-C3N4的光吸收能力.例如，Xu等[66]报道了一种具有强界面相互作用的新型质子化g-C3N4/Ti3C2MXene肖特基异质结，其最大产氢速率高达2 181 μmol·g-1，分别是二维Ti3C2(393 μmol·g-1)和质子化g-C3N4(816 μmol·g-1)的6倍和3倍，进一步的理论计算结果表明形成g-C3N4/Ti3C2MXene肖特基异质结后，催化剂中的光生载流子复合率明显降低，而且PCN的电荷调节表面及肖特基异质结界面处的电荷传输速率也远远高于纯g-C3N4.再比如，尤欢等[67]通过光还原法原位成功合成出AuPd/g-C3N4复合型光催化剂，肖特基异质结的构建大大提高了g-C3N4光生电子空穴的分离效率，因此AuPd/g-C3N4的光催化活性较g-C3N4提高了近8倍，其光催化产氢活性高达2 140 μmol·g-1·h-1.

1.4.5 基于g-C3N4的同型异质结 近期相关研究已经表明，通过对硫脲(最终产品标记为 CN-T)、尿素(最终产品标记为 CN-U)或三聚氰胺(最终产品表示为 CN-M)等不同含C、含N前体进行热处理可以得到具有不同带隙值的g-C3N4.基于此，Fan等[68]通过煅烧硫脲和尿素的混合物成功制得g-C3N4/g-C3N4同型异质结构(CN-TU).Yang等[69]将二维堆叠型g-C3N4纳米片和一维碳掺杂g-C3N4纳米线组成的1D/2D g-C3N4采用一种简单有效的“自下而上”策略成功构建出g-C3N4/g-C3N4同型异质结.进一步研究证实在二维纳米片和一维纳米线之间存在着一定强度的内置电场.该电场的存在不仅显著增强了电子的转移效率，而且还可为光生载流子的分离提供强大的驱动力.因此，1D/2D g-C3N4同种型异质结表现出比原始g-C3N4高达8倍的光催化析氢活性.

表1 不同g-C3N4基光催化剂的合成方法及产氢性能对比.Tab.1 Comparison of the synthesis methods and hydrogen evolution performance for different g-C3N4 based photocatalysts

续表1

2 总结与展望

光催化产氢技术是未来解决能源危机的有效方法，其核心问题是高效光催化剂的研发.g-C3N4作为一种廉价易得的非金属半导体光催化材料，由于其良好的光学性质、优越的电子特性及化学稳定性，近年来备受光催化裂解水制氢领域研究者们的广泛关注.然而，g-C3N4其较低的可见光利用率以及较快的光生电荷重组速率极大地限制了其光催化活性，远远不符合实际应用的需求.因此，本文从以下三个方面系统综述了近年来国内外有关g-C3N4光催化剂的改性及产氢性能提升策略.

1)微纳结构调控：优良的光催化剂通常应具有较高的比表面积和丰富的孔隙结构，大的比表面积有利于暴露更多的光催化活性位点，而丰富的孔隙则有助于光催化过程中电子的传输及光生载流子的迁移.

2)异质元素掺杂：对g-C3N4实施异质元素掺杂不仅可以会诱导产生氧空位，而且还能有效调控载流子的跃迁引起g-C3N4能带结构的变化，进而提供更多的缺陷和表面活性位点.

3)异质结构建：将g-C3N4于不同的复合构建异质结，一方面有助于增加g-C3N4的光能波长利用率，另一方面可以形成新的电荷转移途径以增强g-C3N4在光催化产氢过程中的电荷转移和分离效率，进而使电荷和空穴得到更加高效的分离.

虽然，近年来在提升g-C3N4光催化产氢性能方面的研究已经取得了明显的进展，但从目前的研究现状来看，在制备高性能g-C3N4光催化剂方面仍存在一些挑战，比如，大多数针对g-C3N4基光催化产氢性能的研究，依然是尝试法，在获得产氢性能之前，并不能预先估算催化剂材料的产氢性能.所以，作者认为未来g-C3N4基光催化剂的研究应围绕如下几个方面：

1)深化g-C3N4光催化产氢基础理论研究，明晰改性g-C3N4材料的光催化产氢机理，并尝试通过理论计算模拟与现实实验相结合的方式来深入探究g-C3N4基光催化剂在产氢反应机理中存在的问题.

2)对光催化产氢反应中反应物的分子轨道、电荷转移动力学、及吸附位点进行更深入的理论研究，进一步推进g-C3N4基产氢光催化剂中各组分间的电荷转移机理研究.

3)除了关注g-C3N4基光催化剂的产氢活性以外，还需同时考虑催化剂制备过程是否简单、易操作、无污染等相关实际应用时需要面临的问题，因此，今后g-C3N4基光催化剂的相关研究还需重点解决其能否工业化应用的问题，即研发出化学稳定性高、光催化能力强，并且成本低廉的绿色环保型g-C3N4基光催化材料.