江苏科大郭峰/施伟龙《Ceram. Int.》：环境友好型超分子自组装合成S掺杂空心多孔管状聚合物氮化碳增强光催化产氢

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利用聚合物石墨氮化碳（g-C₃N₄）基材料进行光催化制氢，缓解能源问题是目前研究的热点。然而，由含氮前驱体热缩聚直接制备的大块g-C₃N₄存在比表面积有限、容易光生电子-空穴对重组快速、可见光利用差等固有缺点，严重限制了其光催化活性，因此设计和合成高效的g-C₃N₄材料仍然是一个重大的挑战。

近日，江苏科技大学郭峰/施伟龙课题组在《Ceramics International》期刊上发表了题为Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C₃N₄ for boosted photocatalytic H₂ production的文章。报告了一种环境友好的超分子自组装方法来合成S掺杂空心多孔管状g-C₃N₄（S-HPTCN）以实现高效和持久的光催化产氢。

采用超分子自主装合成策略，经过水热和煅烧两个过程制备S掺杂空心多孔管状聚合物氮化碳。

通过SEM、TEM观察了空心多孔管状氮化碳结构的形成过程；随着水热时间的延长，堆叠的微卷曲层状前驱体逐渐演化为棒状结构。此外，在随后的煅烧过程中产生的大量气体冲击形成了孔隙，最终形成了空心多孔管状形态的聚合物氮化碳。

通过UV-vis评估了催化剂的光学性能，硫掺杂对聚合物氮化碳的光吸收性能和带隙结构的影响，制备过程中含硫气体诱导形成的空心多孔管状结构使入射光在管壁中发生多次光反射有效地提高了可见光的吸收，提高了可见光利用率。结合催化剂的带隙和CB的位置，计算VB，得到光催化剂的带结构，发现S掺杂导致带隙变窄同时导带上移增强了还原能力。

光催化产氢曲线和产氢速率表明S-HPTCN-2的光催化活性最高，且AQY高达8%。四次循环后催化剂没有出现明显失活，且反应后的XRD和红外光谱与反应前没有明显失活，证明该催化剂具有优异的稳定性。

通过光电化学测试进一步探究了光生载流子行为，荧光光谱(PL)和时间分辨瞬时PL的分析结果表明掺杂的硫原子可以作为电子捕获位点，延长载流子的寿命，从而抑制载流子复合。表面积(BET)结果反映了样品的多孔结构。线性扫描伏安法（LSV）发现掺杂硫原子可以降低析氢过电位，从而提高产氢动力学和光催化性能。光电流和阻抗(EIS)表明空心多孔管状结构具有良好的分离光诱导的电子-空穴对的能力。

通过理论计算分析硫掺杂的可能位点。催化剂的电子密度明显提高，同时电子主要集中在电子负性高的原子周围，促进了光诱导载体的迁移和分离效率。

总之，这项工作通过超分子自主装策略合成的S-HPTCN具有空心多孔纳米管结构，有效提高可见光利用，并提供充足的活性位点，提升了光催化产氢活性。相较于BCN、S-BCN和TCN，S-HPTCN具有更强的光吸收能力，更大的比表面积，优化的化学结构，更有效的分离效率，和增强的光生电子空穴的还原能力。S-HPTCN的中空多孔管状结构可以使光在管壁中多次入射折射，提高光的利用率；扩大的比表面积可以暴露更多的反应活性位点用于光催化反应；同时硫原子的掺杂可以调谐电子结构并提高CB中电子的还原能力。

文章第一作者为江苏科技大学材料学院施伟龙副教授，通讯作者为郭峰副教授。

文章链接

W. Shi,* L. Cao, Y. Shi, Z. Chen, Y. Cai, F. Guo,* X. Du,* Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C₃N₄ for boosted photocatalytic H₂ production, Ceramics International 49 (2023) 11989-11998

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.049

作者简介

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郭峰，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，新能源系专业负责人，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库（VE）材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业，获工学博士学位。主要从事g-C₃N₄基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目，江苏省青年基金项目，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目，校级深蓝杰出人才项目, 河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金，江苏省产学研项目等10余项。近年来，共计以第一作者或通讯作者发表90篇SCI收录论文，其中一区SCI论文44篇（影响因子≥10的 15篇），二区论文17篇，ESI高被引论文27篇，ESI热点论文5篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，荣获国际学术奖“最佳研究者”奖，H-index 44，国家授权发明专利3项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）、江苏省“科技副总”、镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号，相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。此外，担任《Frontiers in Chemistry》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人。

施伟龙，华中科技大学博士，郑州大学博士后，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省复合材料学会会员，江苏省环境科学学会会员，江苏省材料学会会员。主要从事碳基（碳点、氮化碳）复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能（降解、分解水制氢及防腐）等方面的研究工作。相关工作发表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平杂志。截止目前，共计以第一作者或通讯作者发表94篇SCI收录论文，其中一区SCI论文44篇（影响因子≥10的17篇），二区论文26篇，ESI高被引论文31篇，ESI热点论文12篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，H-index 46。荣获国际复合材料“最佳研究者”奖，受理发明专利2项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）, 现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目、校级深蓝杰出人才等10余项。此外，担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编、《Photocatalysis and Photochemistry》青年编委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人。

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