郑州大学范佳杰/温州大学徐全龙：反蛋白石结构的g-C3N4可控合成及其优异的光催化产氢性能

第一作者：陈一文

通讯作者：范佳杰，徐全龙

通讯单位：1、郑州大学材料科学与工程学院，2、温州大学化学与材料工程学院

注：此论文是“先进光催化剂设计与制备”专刊邀请稿，客座编辑：武汉理工大学余家国教授、厦门大学马来西亚分校王伟俊教授、华南农业大学李鑫研究员、武汉理工大学张留洋副研究员

引用信息

陈一文, 李铃铃, 徐全龙, Tina Düren, 范佳杰, 马德琨. 反蛋白石结构的g-C₃N₄可控合成及其优异的光催化产氢性能. 物理化学学报, 2021, 37 (6), 2009080.

doi:10.3866/PKU.WHXB202009080

Yiwen Chen, Lingling Li, Quanlong Xu, Düren Tina, Jiajie Fan, Dekun Ma. Controllable Synthesis of g-C₃N₄ Inverse Opal Photocatalysts for Superior Hydrogen Evolution. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (6), 2009080.

doi:10.3866/PKU.WHXB202009080

主要亮点

本文详细介绍了反蛋白石(IO)结构g-C₃N₄的制备方法及其光催化析氢机理。经实验研究发现，这种大孔-介孔结构可以为物质的传输提供通道，并且具有更好的电荷分离效率，由于存在光的多重散射效应，IO g-C₃N₄具有更好的光吸收能力，从而表现出更高的光催化析氢性能。

研究背景：意义、现状

当今社会主要是依靠化石燃料的燃烧来推动全球工业化现代化的高速发展，然而日渐严重的能源短缺和环境失衡问题严重影响了人类社会的可持续发展。为此开发利用取之不尽用之不竭的太阳能的技术，成为解决能源与环境危机的有效途径。基于此，利用太阳能驱动半导体光催化裂解水产氢的技术被视为极具发展前景的绿色可持续发展技术。

聚合物半导体光催化材料g-C₃N₄的禁带宽度一般约为2.7 eV，其导带和价带位置分别位于−1.1和1.6 eV，具有独特的电子结构、制备成本低、良好的物理化学稳定性、可见光响应等优点，能够满足很多光催化反应在热力学上的电势要求，这使其在光催化领域具有广阔的应用前景。

光催化剂材料的形貌结构对自身电子能带结构、光学吸收、电荷分离效率以及反应物质在反应体系中的传质扩散有着重要影响，从而对光催化反应过程有着决定性的作用。反蛋白石结构是一种有序三维多孔结构，可以有效提高g-C₃N₄的比表面积、光学吸收以及反应物质传输，从而提高光催化活性。

核心内容

1   利用硬模板法制备IO g-C₃N₄光催化剂

图1表示了IO g-C₃N₄光催化剂材料制备过程。通过以紧密堆积的SiO₂ 作为模板（SiO₂ PCT），以三聚氰胺为前驱体利用气相沉积法制备得到g-C₃N₄/ SiO₂ PCT，随后用氢氧化钠溶液将SiO₂ PCT刻蚀掉从而得到IO g-C₃N₄光催化剂。图2表示（a）SiO₂ PCT和（b）IO g-C₃N₄的SEM图像，（c，d）IO g-C₃N₄的TEM图像。图1  IO g-C₃N₄光催化剂材料制备过程图2  （a）SiO₂ PCT和（b）IO g-C₃N₄的SEM图像，（c，d）IO g-C₃N₄的TEM图像

2   IO g-C₃N₄光催化剂的光催化析氢活性分析

在可见光的照射下，体相g-C₃N₄与IO g-C₃N₄光催化剂光催化析氢结果显示，IO g-C₃N₄的析氢速率(21.22 μmol·h⁻¹)约是体相g-C₃N₄ (3.65 μmol·h⁻¹)的6倍，并且表现出良好的循环稳定性。光电性能测试结果表明IO g-C₃N₄具有更高的光生载流子分离效率，这与析氢活性测试结果相一致。

图3  （a）体相g-C₃N₄与IO g-C₃N₄光催化析氢速率，（b）IO g-C₃N₄光催化析氢循环测试，（c）体相g-C₃N₄与IO g-C₃N₄光电流测试，（d）体相g-C₃N₄与IO g-C₃N₄阻抗测试

结论与展望

本文成功制备了反蛋白结构的g-C₃N₄，与体相g-C₃N₄相比，IO g-C₃N₄具有更高效的光催化析氢活性。IO g-C₃N₄光催化性能的改善是由于三聚氰胺的热聚合反应生成g-C₃N₄限制在SiO₂ PCT空隙中，从而减小了层间距离，提高电荷分离效率，其次，多孔g-C₃N₄薄层可以暴露出更多的催化反应位点，并且光线能在孔内多次反射增加光的利用率。这项工作为合成具有反蛋白石结构的g-C₃N₄提供了一种新颖有效的方法，并增强了g-C₃N₄的光催化活性。

☎作者介绍

 范 佳 杰 

2012年08月-至今在郑州大学材料科学与工程学院工作，2014年晋升副教授，2015年被评为硕士生指导教师。2012年06月毕业于武汉理工大学材料物理与化学专业，获工学博士学位。

 徐 全 龙 

2019.2-至今在温州大学化学与材料工程学院工作。2018年06月毕业于武汉理工大学材料科学与工程学院，获工学博士学位。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202009080