多孔氮化碳薄带：精准碳掺杂调节离域π电子促进光催化析氢随着化石燃料的过度消耗，全球能源短缺和环境污染日益严重。为解决这些问题，太阳光催化分解水被认为是一项有吸引力的技术，因为低密度太阳能可以转化为高能量密度的氢气(120~142MJ kg-1)。虽然近十年来研究人员见证了无机半导体光催化剂的蓬勃发展，但离大规模的实际应用还很远，部分原因是量子效率低，太阳能利用率低。聚合相氮化碳(PCN) 由于其独特的电子结构和良好的可持续性，一直被认为是金属基光催化剂的一种可行的替代品。然而，它仍然存在一些缺点，如光生电子-空穴对容易复合，电荷迁移速度慢，表面活性中心缺乏，导致光催化性能不理想。通过调节C/N化学计量比来调整其π共轭体系是非常可取的，这可以改变分子结构和调节能带组成，从而提高光催化活性。C原子取代七嗪结构单元中的N原子可以提高g-C3N4中电子密度，有利于载流子转移。碳掺杂氮化碳是由含碳的有机分子与三聚氰胺反应得到的，这可能会破坏氮化碳的骨架，甚至会将一些无定形碳带入催化剂中，因此对氮化碳进行精准的C掺杂极为困难。近日，来自黑龙江大学的蒋保江研究员和焦艳清副教授与中国科学院大连化学物理研究所的刘健研究员合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Porous Carbon Nitride Thin Strip: Precise Carbon Doping Regulating Delocalized π‐Electron Induces Elevated Photocatalytic Hydrogen Evolution”的研究论文。本文利用吡啶结构和氢键调控烟酸和三聚氰胺通过自组装的策略来合成一维带状的超分子前驱体。随后通过带状超分子前驱体得到具有较大的π-电子共轭体系的一维带状碳掺杂氮化碳，实现对氮化碳的电子结构和形貌的同步调控。这种独特的一维结构由于减少了晶界以及促进载流子定向迁移，有利于促进载流子的分离和转移。与传统的PCN相比，多孔条带状形貌提供了更大的比表面积，具有更多的光催化活性中心。实验和理论分析表明，吡啶结构可以增大π电子密度，使更多的电子参与质子还原过程，其光催化分解水活性得到显著的提高。要点一：选择具有π-电子离域特性的吡啶单元和羧基烟酸与三聚氰胺通过氢键与吡啶单元对自组装过程的影响，使其组装成带状超分子前驱体。经过煅烧后形成了具有精确碳掺杂的带状多孔氮化碳。该创新策略同时实现了对其固有的π电子结构和形貌以及表面缺陷的同步调节，其中七嗪结构中的两个氮原子被两个碳原子精准取代，从而实现了精确的碳掺杂。要点二：具有较大π离域效应的带状氮化碳不仅使光吸收阈值扩展至700nm，而且提高了光生载流子的分离效率。此外，多孔结构还可以增加催化活性位点，加速传质传荷。要点三：通过实验和理论计算相结合的方法，对能带结构和电荷转移的调节机制进行了深入的研究。详细的分析表明，碳掺杂结构可以增大π的电子密度，使更多的电子参与质子还原过程。这项工作对调控离域π电子来促进氮化碳催化性能提供了思路。Porous Carbon Nitride Thin Strip: Precise Carbon Doping Regulating Delocalized π‐Electron Induces Elevated Photocatalytic Hydrogen Evolutionhttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202006622黑龙江大学副教授，硕士生导师，分别于2010和2015年在东北师范大学获得学士和博士学位。研究方向为多酸基复合材料的构筑及其在光、电催化领域的应用。在J. Mater. Chem. A.，Small，ACS Appl. Mater. Interfaces等国内外刊物上发表SCI论文30余篇，先后承担国家自然科学基金青年项目、黑龙江省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目，并参与多项国家自然科学基金等科研项目。获得黑龙江省科学技术奖自然科学二等奖（第五完成人）。黑龙江大学研究员，博士生导师，黑龙江省杰出青年基金获得者，目前主要从事无机/有机半导体催化材料的可控合成与光、热催化特性研究，研究催化材料形貌结构调控、异质结构建及界面电荷传输特性，取得了一些有意义的研究成果。迄今在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Small, Applied Catalysis B-Environmental，J. Mater. Chem. A等重要的SCI 收录刊物上以通讯作者身份发表研究论文40 余篇，被SCI 收录期刊正面引用2600 余次。作为项目负责人主持国家和省级项目5项，已授权中国发明专利12项，获黑龙江省科学技术奖一等奖2项，黑龙江省科学技术奖二等奖1项。中科院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，任中科院大连化物所-英国萨里大学未来材料联合研究中心执行主任，微/纳米反应器与反应工程学创新特区研究组组长，从事纳米反应器，纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化等相关领域的基础应用研究。迄今在包括 Nature Mater., Nature Commun., Matter, JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Mater. Today, 等国际刊物发表正式论文210余篇。所发表论文已被 SCI引用超过 16000余次，H因子为59。2018-2020年连续三年入选科睿唯安高引作者。受邀为CRC Press编写“Mesoporous Materials for Energy Storage and Conversion”专著一本，参与10本书章的编写。曾获得 “第 14 届国际催化大会青年科学家奖”（2008），“UQ Foundation Research Excellence Award”（澳大利亚昆士兰大学基础研究最高奖，2011），英国皇家化学会旗下杂志Journal of Materials Chemistry A 2017杰出研究者等多项奖励。并于2011年获得澳大利亚基金委博士后特别研究员资助 (Australian Postdoctoral Fellowship)，2013年入选日本学术振兴会特邀研究员 (JSPS Invitation Fellow)。2017年入选青年海外高层次人才引进计划，2018年入选辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、同年入选辽宁省“百千万人才工程”“千”层次，2020年获得辽宁省自然科学基金优秀青年基金，同年被聘为辽宁省化工学会太阳能光催化专业委员会副主任委员。李琪，黑龙江大学2018级分析化学硕士，本科毕业于黑龙江大学化学化工与材料学院。现主要研究方向为有机半导体氮化碳的分子结构调控及催化机理研究。
目前评论：0