近日，我院功能微納材料與器件實驗室徐錫金教授團隊，在國內(nèi)外催化頂刊雜志《Chinese Journal of Catalysis》(一區(qū)，影響因子：6.146)期刊上發(fā)表了題為“Design of p-n Homojunctions in Metal-free Carbon Nitride Photocatalyst to Overall Water Splitting”的研究論文。

該論文是在徐錫金教授指導(dǎo)下，由趙剛老師（實驗，撰寫），郭靜華老師（理論計算），研究生郝樹華（p/n測試）共同完成的一項工作。論文摘要：非金屬氮化碳(CN)光催化劑由于其的光催化性能而備受研究者的關(guān)注。利用水熱處理、高溫?zé)Y(jié)、高能球磨和燒結(jié)的方法成功出一種具有混合結(jié)構(gòu)的碳氮光催化劑。由于這種結(jié)構(gòu)的界面作用，使碳氮光催化劑顯示出了高的光催化活性。它的產(chǎn)氫效果可以高達 17028.82 μmolh-1g-1，在 420 nm光照下，其光量子效率也達到 11.2%。隨后，納秒級別的時間分辨PL光譜被用來測試這種材料的熒光壽命，其壽命達到 9.9 納秒。而更有趣的重要發(fā)現(xiàn)是在不加犧牲劑時，這種碳氮光催化劑具有高效的全解水效果，其產(chǎn)氫效率為 270.95 μmolh-1g-1，產(chǎn)氧效率為 115.21 μmolh-1g-1，它有應(yīng)用于全解水的實際應(yīng)用中的潛力。另外，通過一系列測試，如紫外可見漫反射光譜，PL光譜和材料的比表面測試等，來尋找這種碳氮光催化劑催化效果好的原因。同時，通過電化學(xué)測試獲得了肖特基曲線和電流-電壓曲線，一個有趣的發(fā)現(xiàn)得出這種碳氮光催化劑里含有少量的pn結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)近一步提高了這種碳氮光催化劑的催化效果。因此，這項工作對優(yōu)化碳氮光催化劑的催化效果有很好的指導(dǎo)意義。

在這個工作中，最重要的是材料的制備：第一種碳氮材料，以三聚氰胺為原料，先進行水熱合成處理（180 ℃，24h），接著過濾干燥，然后將材料轉(zhuǎn)移到高純氬氣保護下的管式爐中，溫度為550 ℃，保溫時間為1 h; 第二種碳氮材料，將CN用三聚氰胺和氟化銨水熱180℃處理24 h，過濾、干燥、煅燒（550 ℃，1 h）; 目標(biāo)產(chǎn)物，將上述兩種碳氮材料按相等的比例混合后，高能球磨研磨，然后將其轉(zhuǎn)移到管式爐中，氣氛保護下淬火。

光催化效果好的原因：有一般性的光生載流子的壽命比其它材料要長，有助于電子和空穴參與光解水的氧化還原反應(yīng)；還有這種材料的比表面要大于其它材料的比表面積，有更多的活性點參與反應(yīng)。但是，更重要原因是這種材料中含有少量的pn結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使材料在弱光下也會產(chǎn)生光生載流子，實際上它是起到光生載流子的激發(fā)作用，即在相同光照下，就會產(chǎn)生更多的光生載流子數(shù)量，因此，它進一步優(yōu)化和提高了碳氮光催化劑的光催化效果。而這種思路對以后的光催化劑的設(shè)計給予了一定的啟發(fā)。

該研究獲得了國家自然科學(xué)基金(51802177, 51672109, 11504134). 山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目(ZR2018ZC0842), 山東省自然科學(xué)基金(ZR2018BEM019)的支持。