带隙可调的S掺杂端甲基化g-C3N4纳米片的制备及其高效光催化性能

来源：材料人

原标题：西工程大/东北师大/长春应化所JMCA Hot Paper：带隙可调的S掺杂端甲基化g-C3N4纳米片的制备及其高效光催化性能

引言

随着当前社会经济的高速发展，化石能源的过度开发与利用在造成能源枯竭的同时，也对生态环境造成了严重破坏。半导体光催化材料可以直接利用太阳能处理空气中或者水中有毒有害物质，改善环境，具有二次污染小等优点。同时光催化剂还可以利用太阳能直接分解水制氧，实现太阳能转化为易于存储、洁净的化学能，从根本上解决人类面临的能源和环境问题。因此，如何合理设计和制备高效、低价、稳定且可见光响应的光催化剂成为光催化技术广泛应用的关键所在。作为一种非金属有机半导体光催化剂，石墨相氮化碳（g-C3N4）具有廉价易得、安全无毒、能带结构合适等优点，是一种具有较大前景的可见光催化剂。而如何进一步提高g-C3N4的可见光催化性能是一个亟待解决的课题。

成果简介

硫原子掺杂优化g-C3N4能带结构已被广泛报道，但大多数S掺杂只能使g-C3N4的带隙减小不超过0.2 eV，相应的光吸收提高仅约36 nm。近日，西安工程大学李云锋副教授、东北师大邢艳教授以及长春应化所宋术岩研究员以硫代乙酰胺为硫源和封端剂，首次制备了带隙可调的S掺杂端甲基化g-C3N4纳米片（SMCN）。实验结果和DFT计算表明，在Melon骨架中引入甲基不仅可以在聚合反应中起到封端基团的作用，产生结构边缘缺陷，降低S原子掺杂的能量势垒。而且在甲基化的Melon单元中掺杂S原子，可以使费米能级附近的价带分裂，产生一个新的中间带隙，显著减小g-C3N4的禁带宽度（~0.7 eV）。由于局域电荷分布和晶格张力的变化，所产生的内部电场有利于电子-空穴的分离。因此，SMCN在降解活性染料和光催化制氢方面表现出优异的光催化性能。相关成果以“Preparation and enhanced photocatalytic performance of sulfur doping terminal-methylated g-C3N4 nanosheets with extended visible-light response”发表在J. Mater. Chem. A上。

图文导读

图1：SMCN材料的合成示意图以及不同S原子取代位点的生成能

（A）SMCN材料的合成示意图；（B）不同S原子取代位点的生成能

图2：GCN和SMCN的理论计算结果

（A）GCN和SMCN的理论DOS图；（B）GCN和SMCN的差异电荷分布图

图3：GCN和SMCN的光电性质表征

（A）GCN和SMCN的紫外-可见漫反射光谱；（B）GCN和SMCN的能带结构；（C）GCN和SMCN的稳态PL光谱；（D）GCN和SMCN的瞬态PL光谱

图4：GCN和SMCN的光催化测试结果

（A）GCN和SMCN的光降解性能测试；（B）GCN和SMCN的光降解动力学分析；（C）GCN和SMCN的产氢性能测试；（D）SMCN在不同波段入射光下的产氢量

小结

本文首次采用TAA作为硫源和封端剂，成功制备了硫掺杂端甲基化的g-C3N4纳米片（SMCN）。制备的SMCN材料不仅具有更大的比表面积和更多的结构边缘缺陷，而且具有独特的中间带隙，导致g-C3N4的禁带宽度显著减小，光响应扩展到近红外区域。此外，由于局域电荷分布和晶格张力的变化，所产生的内部电场有利于电子-空穴的分离。结果表明，SMCN在光降解活性染料和光催化制氢方面表现出良好的催化活性。本文为设计和制备高性能的g-C3N4基光催化剂提供了一条新的、低成本的有效途径。

文献链接：Preparation and enhanced photocatalytic performance of sulfur doping terminal-methylated g-C3N4 nanosheets with extended visible-light response（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 20640-20648）

李云锋副教授简介

李云锋，2018年6月获东北师范大学物理化学专业博士学位（国家“双一流”学科），同年以“青年拔尖人才”引进到西安工程大学环化学院工作。主要从事半导体光催化材料在环境与能源领域中的应用研究，针对传统光催化剂量子效率低、太阳能转化率差等关键科学问题，开展了较为系统的研究工作。近年来，已在Adv. Energy Mater., Small, J. Mater. Chem. A, J. Hazard. Mater., Nanoscale等国际知名期刊发表10余篇SCI学术论文，先后被Chem. Rev., Adv. Mater.等期刊引用470余次，其中单篇引用量过百论文2篇，并有2篇论文于2015（至今）、2016（至今）入选ESI高被引论文（1%），多篇论文入选期刊HOT Paper。

邢艳教授简介

邢艳，教授，博士生导师，中国化学会胶体与界面专业委员会委员，吉林省先进能源材料重点实验室主任，吉林省电镜协会副理事长。曾在英国布里斯托大学, 美国匹兹堡大学，卡耐基梅隆大学，加州大学洛杉矶分校进行合作研究工作。近年来，在Adv. Energy Mater.，ACS Nano, Small, Nanoscale, Chem. Commun., Chemistry-A European Journal等国际著名期刊上发表SCI论文近百篇，其中以第一作者和通讯联系人身份发表SCI论文70余篇。SCI引用2800余次，H-index为28。