于世新：表面羟基极化促进聚合物氮化碳局域电荷分离与质子活化提高光解水产氢活性学术资讯

来源：中国地质大学

能源是人类赖以生存的物质基础，是社会和经济可持续发展的重要物质保障。光催化技术通过直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应，能将低能量密度的太阳能转化为高能量密度的化学能，从而在解决能源短缺问题上表现出巨大的潜力。相对于二氧化钛、氧化锌等半导体光催化剂，聚合物氮化碳由于其独特的二维结构、能带结构、优异的化学稳定性以及不含金属元素等优点，在可见光驱动分解水产氢、有机物选择性合成以及污染物降解等领域受到广泛关注。如何进一步提高氮化碳光催化材料的催化活性并深度解析其促进机理也成为相关研究的焦点。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生于世新在资源综合利用与环境能源新材料创新团队张以河教授和黄洪伟教授指导下，首先利用温度调制的纯水水热后处理方法，在聚合物氮化碳表面接枝大量羟基，实现了光催化水分解产氢活性的提高，之后又进一步利用铵盐辅助pH调控的后处理策略令氮化碳表面深度羟基化，使其在光吸收、能带结构以及比表面积均不发生明显改变的情况下实现了可见光(λ > 420 nm)下产氢效率约11倍的提高（λ = 420 nm下AQY为9.1%）。实验和理论计算表明表面羟基的极化作用促进了氮化碳表面局域电荷分离，并加速了质子活化，从而提高光解水产氢效率。

该工作通过表面羟基化大幅提高了氮化碳光解水产氢效率，实验和理论计算发现表面羟基接在氮化碳结构中的碳原子上，其极化作用提高了局部载流子分离效率、界面电荷传递效率和载流子密度。同时发现表面羟基能活化邻位的二配位氮原子，加速了对质子的吸附作用。在以上双重作用的促进下氮化碳光解水产氢效率得到了大幅提高。该工作有望为催化剂表面极化设计提供更多的参考。

图1. CN和温度调制的纯水水热羟基化氮化碳OH-CNx （x=1、2、3、4）样品可见光（λ > 420nm）下的（A）产氢曲线图和（B）产氢速率图；（C）产氢循环曲线；（D）CN和等离子体机处理CN样品产氢曲线；（E）铵盐辅助pH调节的表面羟基修饰样品的产氢曲线和速率图；（F）OH-CN3 和磷酸铵辅助水热的OH-CN样品 Ar⁺刻蚀前后的O 1s XPS谱图。

图2. 表面羟基修饰聚合物氮化碳的电荷分离和质子活化示意图

上述研究成果发表于国际著名期刊《Nano Energy》上：S. X. Yu, J. Y. Li, Y. H. Zhang, M. Li, F. Dong, T. R. Zhang, H. W. Huang, Local Spatial Charge Separation and Proton Activation Induced by Surface Hydroxylation Promoting Photocatalytic Hydrogen Evolution of Polymeric Carbon Nitride, Nano Energy, 2018, 50, 383-392. [IF=12.343]

附件20180606084947437506.pdf (3.4546118MB)