北理工團隊在氮化碳基半導體光催化合成能源品方面發(fā)表綜述文章
發(fā)布日期：2022-09-30 供稿：生命學院 攝影：生命學院
編輯：肖雯 審核：周連景 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學生命學院綠色生物制造團隊在石墨相氮化碳（g-C3N4）光化學材料方面發(fā)表綜述文章,，相關成果以“Design and Application of g-C3N4-based Materials for Fuels Photosynthesis from CO2 or H2O Based on Reaction Pathway Insights”為題發(fā)表于頂級期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（影響因子9.965）,，北京理工大學生命學院2019級博士生賀濱為第一作者，通訊作者為孫劍教授,。
隨著工業(yè)化進程的加劇及人口的不斷增長,，能源危機和環(huán)境污染成為全球性問題。探索清潔可再生能源的生產(chǎn)及CO2高值化利用對于緩解能源危機,、改善環(huán)境狀況以及促進碳中和具有重要意義,。受植物光合作用的啟發(fā)，以太陽光為驅動力,，在半導體催化劑的作用下,，實現(xiàn)光催化CO2轉化（CRR）及光解水制氫（HER）正在逐步成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ牟呗浴Ｈ绾魏侠淼卦O計高效的半導體光催化劑已成為相關領域的一個研究熱點（圖1）,。
圖1. 基于Web of Science及VOS Viewer分析所得到的研究熱點示意圖
石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一類具有可見光響應的非金屬有機聚合半導體,，被譽為“圣杯光催化劑”，在實現(xiàn)上述過程中表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢（如綠色,、經(jīng)濟,、產(chǎn)物多樣等），然而,，受帶隙結構,、界面特性等影響，g-C3N4催化效率難以有效滿足實際需求,。針對g-C3N4可見光利用率低,、載流子復合嚴重等問題，課題組前期對其進行了較為系統(tǒng)的改性研究,，從化學修飾、異質結強化,、電子調(diào)控角度出發(fā),，發(fā)展了基于生物基碳修飾（ Appl. Surf. Sci. , 2020, 527, 146737； Green Energy Environ., 2020, 823-845）,、堿金屬-同質結構建（ Appl. Surf. Sci. , 2022, 575, 151695）,，聚合離子液體納米核殼材料復合（ Chem. Eng. J., 2022, 135625）等策略，較好地提升了g-C3N4的可見光催化降解污染物以及光解水產(chǎn)氫性能,。在本綜述中,，作者嘗試將HER及CRR催化反應過程分解為5個主要步驟（圖2）：① 光子吸收及載流子產(chǎn)生、② 載流子分離及遷移,、③ 反應物的吸附及活化,、④ 界面氧化還原反應以及⑤ 產(chǎn)物的脫附；其中,，①~③是主要的決速步驟,。其中，光子吸收作為第一步?jīng)Q定了對太陽光的利用率。作者指出通過表面光敏化,、等離激元共振效應（SPR）可以有效地拓展光譜吸收范圍,，增加對可見光的捕獲能力，進而產(chǎn)生更多的電子空穴對,。同時,，作者通過分析光敏化及SPR效應的作用機理，詳細闡述了這兩種策略的設計原則及應用條件,。針對載流子復合嚴重的問題（第②步）,，作者從問題的原因出發(fā)（帶隙、導電性等）,，總結了主要解決策略,，如異質結構建、元素摻雜及提高結晶性等,。進而,，詳細討論了異質結種類、摻雜元素及結晶性提升的作用機理,、優(yōu)缺點,、構建策略等。針對反應物的活化和吸附（第③步）,，作者指出通過界面修飾及多孔材料復合能增加對反應物的吸附活化,，抑制副反應發(fā)生，從而提升催化反應的效率,。
圖2. CRR及HER的反應過程及強化手段
最后,，針對設計高效光催化劑用于CO2轉化及氫能制備，作者認為催化劑的設計除了要關注材料結構和性能之外,，還需要更加關注反應體系的特點和難點,。因此，結合先進的原位表征手段,，深入地理解CRR及HER的反應機理,、光生載流子的傳輸路徑、反應物的界面行為等,，對于催化劑的設計具有重要意義,。發(fā)展多場耦合策略（光-熱，光-電,，光-酶等）能夠集合多重優(yōu)勢,，實現(xiàn)CRR及HER過程反應速率的大幅提升。本工作的開展旨在為設計高效光催化材料,、光熱材料等提供參考和借鑒,。
論文詳情：Bin He, Yuandong Cui, Yu Lei, Wenjin Li, Jian Sun, Design and Application of g-C3N4-based Materials for Fuels Photosynthesis from CO2 or H2O Based on Reaction Pathway Insights. DOI:10.1016/j.jcis.2022.09.114.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.09.114.
附團隊簡介：
綠色生物制造團隊圍繞國家“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求,，注重化學、生物,、化工,、材料等多學科交叉融合，開展功能化離子液體基礎及應用研究,，具體方向包括功能化離子液體設計及微環(huán)境作用,，生物基化學品和材料合成，光,、電,、熱、生物等過程耦合,，以及仿生功能器件構建等,。團隊現(xiàn)有教師3人，負責人為孫劍教授,，北京理工大學特立青年學者,，中國纖維素行業(yè)協(xié)會技術委員會副主任，中國化工學會離子液體專委會委員,，中國膜工業(yè)協(xié)會醫(yī)藥生物用膜技術委員會委員,，Green Energy Resour. 編委，Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng.等青年編委,，長期從事基于離子液體的綠色過程研究,。團隊成員閻繼鵬副教授，長期從事生物質的高效綠色轉化,，生物基材料及化學品的開發(fā)與利用,；趙偉東助理教授，一直從事新型生物傳感器的研究,，開發(fā)了多種新型SERS基底,，實現(xiàn)了SERS基底的規(guī)模化和圖案化制備,。
分享到：