北工大曲丹教授、孙再成教授与苏州大学康振辉教授Angew. Chem. ：三位一体：新型高效光催化剂的合理构建

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对于单组分催化剂来说，其独自完成光催化的整个过程，包括光吸收、电子-空穴分离和表面反应，是一个巨大的挑战。聚合物氮化碳(CN)因其良好的光吸收和电荷分离特性而成为一种无金属聚合物光催化剂，但其主要问题是缺乏表面反应的活性位点以及由此引起的光生载流子的复合，因此额外的助催化剂作为活性位点来促进电荷分离和表面反应是必要的。然而，催化剂与助催化剂之间形成异质结，可能会增加电子转移电阻，降低电子转移效率。因此，设计一种集光吸收、电荷分离和活性位点于一体的新型光催化剂是非常具有现实意义的。

Victor A. de la Pena O'Shea等发现Ga掺杂在Pt/ZnO上可以最大限度地提高光催化析氢效率。此外，Cabot等人也报道了将Ga掺杂在CuInS₂中，可以在Ga位点注入一定量的光生电子，提高光生载流子的分离效率，使光催化效率最大化。因此，Ga在光催化中作为产氢中心具有很大的潜力。

近日，北京工业大学曲丹教授和孙再成教授与苏州大学康振辉教授基于合理构建光催化剂的目的，通过简单的一步热解过程成功制备了Ga掺杂CN单一组分光催化剂（GCN）。球差电镜以及EXAFS显示Ga在氮化碳上为原子级分散，呈阳离子态，并与四个氮原子配位，形成GaN₄结构。

对材料的光催化产氢活性以及反应机理探究发现，无任何助催化剂负载的GCN的光催化产氢性能是负载1.0 wt% Pt的CN的3.3倍。这主要是由于Ga具有空的p轨道，具有接收电子的潜力，瞬态光电压测试结果表明光生电子可以注入GCN上的GaN₄位点并储存于此，导致空间电荷分离。进一步的，在GaN₄位点上储存的激发态电子具有较长的寿命，更有利于吸附质子，促进了电子向质子的转移，使其被还原。与此同时，由于氢在GaN₄位点上的基态吸附能为正，从而促进了还原后氢在催化剂表面的解离，进而使得光催化产氢活性得到明显提升。合理设计一体化的光催化剂有利于提高光催化的效率。

进一步，该工作为合理设计一种适用于产氢，CO₂还原，N₂还原等方面的高效的、无助催化剂的、包含表面反应活性位点的三位一体的单一组分光催化剂提供了有效策略。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202015779

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