催化学报

催化学报 ›› 2026, Vol. 86: 1-4.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65057-7

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范德华界面调控的氮化碳S型同质结增强光催化氧化还原性能

李如春a,*(), 张留洋b,*()   

  1. a 云南师范大学化学化工学院, 云南省现代分离分析与物质转化重点实验室, 云南昆明 650500
    b 中国地质大学材料科学与化学学院, 太阳能燃料实验室, 湖北武汉 430078
  • 收稿日期:2026-01-15 接受日期:2026-01-27 出版日期:2026-07-05 发布日期:2026-06-12
  • 通讯作者: *liruchun@ynnu.edu.cn (李如春),
    zhangliuyang@cug.edu.cn (张留洋).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52322214);国家自然科学基金(22278383);国家自然科学基金(22361132529)

A van der Waals S-scheme homojunction in g-C3N4

Ruchun Lia,*(), Liuyang Zhangb,*()   

  1. a Yunnan Key Laboratory of Modern Separation Analysis and Substance Transformation, College of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan Normal University, Kunming 650500, Yunnan, China
    b Laboratory of Solar Fuel, Faculty of Materials Science and Chemistry, China University of Geosciences, Wuhan 430078, Hubei, China
  • Received:2026-01-15 Accepted:2026-01-27 Online:2026-07-05 Published:2026-06-12

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摘要：

光催化是利用光催化剂将太阳能直接转化为化学能的技术, 具有绿色、可再生、能耗低等优势. 聚合物氮化碳(g-C3N4)光催化剂凭借合适的带隙、地球丰度高及化学稳定性强等优势而备受关注, 但其光生载流子分离效率低、复合速率快的问题严重限制了其催化性能. S型异质结依靠界面内建电场与能带弯曲, 实现低氧化还原能力的载流子在界面处复合, 而高氧化还原能力的载流子定向分离, 这种独特的载流子转移机制不仅大幅降低电子-空穴对的复合率, 还能保留高氧化还原能力的载流子, 同时具有适配性广、易调控、稳定性强的优势, 在光催化析氢、CO2还原、污染物降解等领域具有较好的应用潜力. 因此, 有效构建S型异质结对提升g-C3N4基光催化剂的性能具有重要意义.

基于此, Zhu等提出一种聚合工程策略, 通过调控氮化碳的本征聚合路径构建结构连贯的S型同质结, 且无需引入外来组分. 首先, 以自组装超分子作为缩聚前驱体合成g-C3N4, 通过控制缩聚进程和边缘位点密度, 调控材料的电子结构与形貌特征, 并调节合成的g-C3N4的价带和导带位置. 在合成过程中原位重构, 零维氮化碳量子点(CNND)均匀地锚定在超薄纳米片(CNUN)上, 并借助范德华力而非共价键连接, 形成界面牢固且具有强内建电场的S型g-C3N4同质结光催化剂. 该策略解决了传统g-C3N4光生载流子复合快、催化效率低的核心问题, 同时规避了异质结界面电阻大、晶格适配性差的缺陷. X-射线衍射、X-射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表明, 二者均保留g-C3N4的基本骨架, 而CNND因量子点形貌暴露更多氨基和羟基; 氮气吸脱附实验表明, CNND/CNUN的比表面积高达122 m2 g-1, 为反应提供充足活性位点. 此外, 紫外-可见吸收光谱、莫特-肖特基等测试结果证实了CNND和CNUN的带隙结构, 其中CNND的带隙宽度为2.77 eV, CNUN的带隙宽度为2.88 eV, 密度泛函理论计算表明, CNND和CNUN的功函数分别为5.88和6.48 eV. 同时, 由于S型同质结的构建, CNND/CNUN具有更高效的载流子分离效率和更长的载流子寿命(6.953 ns). 在光照下, CNND/CNUN的析氢速率达21794 μmol g-1 h-1, 是体相g-C3N4的31.9倍, 优于近期报道的其他催化剂. 在光催化CO2还原反应中, 甲烷产率为70.84 μmol g-1 h-1, 选择性高达98.86%; 原位FT-IR监测到*CO2-, *HCOO和*CH3O等关键中间体, 另外, 同位素标记实验证实产物碳源来自CO2还原反应. 更重要的是, 该催化剂在产氢和CO2还原反应中均表现出良好稳定性.

综上, 该研究通过聚合工程和范德华力有效构建了g-C3N4基同质异质结, 精准调控光生空穴-电子的分离效率, 所构建的CNND/CNUN同质结凭借独特的S型载流子分离机制, 在光催化析氢与CO2还原反应中均表现出卓越性能与稳定性. 该策略为g-C3N4基S型异质结的结构优化提供了新路径, 对推动太阳能制氢与CO2还原资源化利用等可持续能源技术的发展具有重要意义.

关键词: g-C3N4, 同质结工程, S型异质结, 范德华界面, 太阳燃料合成