北理工團(tuán)隊(duì)在氮化碳基半導(dǎo)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(xué)院 攝影：生命學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)生命學(xué)院綠色生物制造團(tuán)隊(duì)在石墨相氮化碳（g-C3N4）光化學(xué)材料方面發(fā)表綜述文章，相關(guān)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(jí)期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（影響因子9.965），北京理工大學(xué)生命學(xué)院2019級(jí)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(jìn)程的加劇及人口的不斷增長(zhǎng)，能源危機(jī)和環(huán)境污染成為全球性問(wèn)題。探索清潔可再生能源的生產(chǎn)及CO2高值化利用對(duì)于緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境狀況以及促進(jìn)碳中和具有重要意義。受植物光合作用的啟發(fā)，以太陽(yáng)光為驅(qū)動(dòng)力，在半導(dǎo)體催化劑的作用下，實(shí)現(xiàn)光催化CO2轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)高效的半導(dǎo)體光催化劑已成為相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)（圖1）。
圖1. 基于Web of Science及VOS Viewer分析所得到的研究熱點(diǎn)示意圖
石墨相氮化碳（g-C3N4）作為一類(lèi)具有可見(jiàn)光響應(yīng)的非金屬有機(jī)聚合半導(dǎo)體，被譽(yù)為“圣杯光催化劑”，在實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程中表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如綠色、經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)物多樣等），然而，受帶隙結(jié)構(gòu)、界面特性等影響，g-C3N4催化效率難以有效滿(mǎn)足實(shí)際需求。針對(duì)g-C3N4可見(jiàn)光利用率低、載流子復(fù)合嚴(yán)重等問(wèn)題，課題組前期對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的改性研究，從化學(xué)修飾、異質(zhì)結(jié)強(qiáng)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(zhì)結(jié)構(gòu)建（ Appl. Surf. Sci. , 2022, 575, 151695），聚合離子液體納米核殼材料復(fù)合（ Chem. Eng. J., 2022, 135625）等策略，較好地提升了g-C3N4的可見(jiàn)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(yīng)過(guò)程分解為5個(gè)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(yīng)物的吸附及活化、④ 界面氧化還原反應(yīng)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(duì)太陽(yáng)光的利用率。作者指出通過(guò)表面光敏化、等離激元共振效應(yīng)（SPR）可以有效地拓展光譜吸收范圍，增加對(duì)可見(jiàn)光的捕獲能力，進(jìn)而產(chǎn)生更多的電子空穴對(duì)。同時(shí)，作者通過(guò)分析光敏化及SPR效應(yīng)的作用機(jī)理，詳細(xì)闡述了這兩種策略的設(shè)計(jì)原則及應(yīng)用條件。針對(duì)載流子復(fù)合嚴(yán)重的問(wèn)題（第②步），作者從問(wèn)題的原因出發(fā)（帶隙、導(dǎo)電性等），總結(jié)了主要解決策略，如異質(zhì)結(jié)構(gòu)建、元素?fù)诫s及提高結(jié)晶性等。進(jìn)而，詳細(xì)討論了異質(zhì)結(jié)種類(lèi)、摻雜元素及結(jié)晶性提升的作用機(jī)理、優(yōu)缺點(diǎn)、構(gòu)建策略等。針對(duì)反應(yīng)物的活化和吸附（第③步），作者指出通過(guò)界面修飾及多孔材料復(fù)合能增加對(duì)反應(yīng)物的吸附活化，抑制副反應(yīng)發(fā)生，從而提升催化反應(yīng)的效率。
圖2. CRR及HER的反應(yīng)過(guò)程及強(qiáng)化手段
最后，針對(duì)設(shè)計(jì)高效光催化劑用于CO2轉(zhuǎn)化及氫能制備，作者認(rèn)為催化劑的設(shè)計(jì)除了要關(guān)注材料結(jié)構(gòu)和性能之外，還需要更加關(guān)注反應(yīng)體系的特點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，結(jié)合先進(jìn)的原位表征手段，深入地理解CRR及HER的反應(yīng)機(jī)理、光生載流子的傳輸路徑、反應(yīng)物的界面行為等，對(duì)于催化劑的設(shè)計(jì)具有重要意義。發(fā)展多場(chǎng)耦合策略（光-熱，光-電，光-酶等）能夠集合多重優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)CRR及HER過(guò)程反應(yīng)速率的大幅提升。本工作的開(kāi)展旨在為設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介：
綠色生物制造團(tuán)隊(duì)圍繞國(guó)家“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求，注重化學(xué)、生物、化工、材料等多學(xué)科交叉融合，開(kāi)展功能化離子液體基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，具體方向包括功能化離子液體設(shè)計(jì)及微環(huán)境作用，生物基化學(xué)品和材料合成，光、電、熱、生物等過(guò)程耦合，以及仿生功能器件構(gòu)建等。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有教師3人，負(fù)責(zé)人為孫劍教授，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者，中國(guó)纖維素行業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)副主任，中國(guó)化工學(xué)會(huì)離子液體專(zhuān)委會(huì)委員，中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)醫(yī)藥生物用膜技術(shù)委員會(huì)委員，Green Energy Resour. 編委，Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng.等青年編委，長(zhǎng)期從事基于離子液體的綠色過(guò)程研究。團(tuán)隊(duì)成員閻繼鵬副教授，長(zhǎng)期從事生物質(zhì)的高效綠色轉(zhuǎn)化，生物基材料及化學(xué)品的開(kāi)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(kāi)發(fā)了多種新型SERS基底，實(shí)現(xiàn)了SERS基底的規(guī)模化和圖案化制備。
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