司文平&梁骥&侯峰Carbon Energy:激光直写诱导合成具有高效光-电转化的氮化碳薄膜用于多功能光电应用

Laser direct writing derived robust carbon nitride films with efficient photon-to-electron conversion for multifunctional photoelectrical applications

Haotian Tan, Wenping Si*, Wei Peng, Yuqing Wang, Daolan Liu, Liqun Wang, Chongyun Jiang, Lu Di, Ji Liang*, Feng Hou

Carbon Energy.

DOI:10.1002/cey2.225

1/研究背景

作为一种清洁、可持续的制氢手段，光电化学水分解已经成为能源材料领域的热点之一。近年来，聚合氮化碳(p-C₃N₄)由于其合适的能带结构、良好的可见光吸收能力以及制备简单、价格低廉等诸多优点，受到了世界范围内的广泛关注。但是传统使用热炉通过高温聚合而制备氮化碳薄膜由于其在升温过程中存在的聚合和分解之间的矛盾，因此难以在透明导电衬底上(如FTO)形成具有良好机械结合能的坚固的薄膜，并且聚合度也比较低，这无疑会产生许多复合中心以及电荷传输/转移过程的高电阻，使得光子-电子转换效率降低，从而最终光活性降低。

2/研究内容

针对氮化碳薄膜制备过程存在的问题，天津大学材料科学与工程学院司文平、梁骥、侯峰团队首次提出了使用1064 nm激光直写技术诱导合成氮化碳薄膜(LCN)，制备出了能够与导电衬底紧密结合的高聚合氮化碳薄膜，表面改性之后(M-LCN)具有优异的光电分解水性能，且还可以设计成微阵列用于光电探测。该成果以“Laser Direct Writing Derived Robust Carbon Nitride Films with Efficient Photon-to-Electron Conversion for Multifunctional Photoelectrical Applications”为题发表在Carbon Energy上。

3/本文亮点

1.开发了激光直接技术制备高聚合氮化碳薄膜，其具有高效光子-电子转化，与基底具有良好机械结合力。

2.深入探究了氮化碳薄膜表面调控的内在机理。

3.基于激光直接技术制备的氮化碳薄膜用于光电分解水以及光电探测器领域。

4/图文解析

1、采用激光直写技术制备了氮化碳薄膜（LCN），SEM图显示了LCN具有致密的膜结构。

图1 (A) 激光直接制备氮化碳薄膜用于水分解以及光电探测的示意图 (B-C) LCN的截面和正面的SEM图 (D-E) M-LCN的截面和正面的SEM图 (F) BCN, LCN 以及 M-LCN的开路电压测试。

2、光电化学测试表明，所制备的LCN具有良好的光催化活性，在进行表面改性之后，光催化性能进一步提升。

图2 (A) BCN、LCN和M-LCN在0.1 M NaOH水溶液中的线性扫描伏安(LSV)曲线。(B) BCN、LCN和M-LCN在0.1 M NaOH中，1.23 VRHE时的光电流。(C) BCN、LCN、M-LCN的UV-Vis DRS光谱。(D) BCN、LCN和M-LCN在1.23 VRHE 0.1 M NaOH溶液中不同波长的入射光子电流转换效率(IPCE)。

3、使用激光直写制备的氮化碳薄膜阵列具有良好的光电响应，形成的响应图案能够被清晰的辨识，并且在强酸强碱等极端环境下，氮化碳薄膜阵列仍然具有良好的响应值，表现出优异的化学稳定性。

图3 (A)使用不同功率强度的氙灯测试单个像素点的I-V特性。(B,C) 不同光照强度下的瞬态光响应特性和单个像素的开/关电流比。(D, E) 在0.08 mW cm⁻²和局部放大的细节下，在偏置电压为1V的情况下，单个像素的可重复光响应。(F)相同条件下所有光电探测器像素的光电流和暗电流。(G)用于检测多点光分布的氮化碳阵列示意图。(H) LCN光电探测器阵列获取的字母' T '， ' J '， ' U '。

5/总结

本文提出了一种快速、高效的LDW方法，在导电衬底上获得高度聚合的致密的氮化碳层，而其上的表面修饰层进一步增强了光生空穴向电解质的转移，从而促进了光子到电子的转换，提高了光电化学分解水的性能。同时，构建了包含36个LCN微电极阵列的光电探测器，用于高质量的光电检测，在强酸和强碱溶液中具有良好的机械和化学稳定性。这项工作为氮化碳薄膜光电电极的大规模工业化制造提供了一条新的途径，并为各种先进的光电化学器件开辟了一条新的途径。

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论文标题：

Laser direct writing derived robust carbon nitride films with efficient photon-to-electron conversion for multifunctional photoelectrical applications

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.225

DOI:10.1002/cey2.225

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