催化学报

催化学报 ›› 2026, Vol. 82: 266-277.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64923-0

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g-C3N4/CoNi2S4中的界面Ni-N键用于增强光催化CO2转化

李昊男a, 高娃a,*(), 马康力a, 雷健b, Olim Ruzimuradovc, Akhtam Samievc, 陈亚a,*(), 刘敬祥a,d,*(), 李越a   

  1. a天津工业大学物理科学与技术学院, 材料科学与工程学院, 天津 300387, 中国
    b安徽师范大学化学与材料科学学院, 安徽省碳中和工程研究中心, 功能分子固体教育部重点实验室, 安徽省分子材料实验室, 安徽芜湖 241002, 中国
    c都灵理工大学塔什干分校, 奇奇克塔什干, 乌兹别克斯坦
    d莫纳什大学工程学院工程系, 高级工程多学科平台, 雪兰莪州双威城, 马来西亚
  • 收稿日期:2025-09-30 接受日期:2025-11-27 出版日期:2026-03-18 发布日期:2026-03-05
  • 通讯作者: * 电子信箱: gaowa@tiangong.edu.cn (高娃),yachen@tiangong.edu.cn (陈亚),low.jingxiang@monash.edu (刘敬祥).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22202152);天津市科学技术局(24JCQNJC00990);天津工业大学沧州研究院(TGCYY-F-0304)

Interfacial Ni-N bond in g-C3N4/CoNi2S4 for enhanced photocatalytic CO2 conversion

Haonan Lia, Wa Gaoa,*(), Kangli Maa, Jian Leib, Olim Ruzimuradovc, Akhtam Samievc, Ya Chena,*(), Jingxiang Lowa,d,*(), Yue Lia   

  1. aSchool of Physical Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
    bAnhui Engineering Research Center of Carbon Neutrality, The Key Laboratory of Functional Molecular Solids, Ministry of Education, Anhui Laboratory of Molecular-Based Materials, College of Chemistry and Materials Science, Anhui Normal University, Wuhu 241002, Anhui, China
    cTurin Polytechnic University in Tashkent, Kichik Khalqa yolu 17, Tashkent 100095, Uzbekistan
    dMultidisciplinary Platform of Advanced Engineering, Engineering, Chemical Engineering Discipline, School of Engineering, Monash University, Bandar Sunway 47500, Selangor, Malaysia
  • Received:2025-09-30 Accepted:2025-11-27 Online:2026-03-18 Published:2026-03-05
  • Contact: * E-mail: gaowa@tiangong.edu.cn (W. Gao),yachen@tiangong.edu.cn (Y. Chen),low.jingxiang@monash.edu (J. Low).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22202152);Tianjin Municipal Science and Technology Bureau(24JCQNJC00990);Cangzhou Institute of Tiangong University(TGCYY-F-0304)

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摘要：

化石燃料燃烧产生的过量CO2排放已引发了严重的环境问题, 包括全球变暖和海洋酸化. 因此, 研究者们提出了各种策略来降低人类社会对化石能源的依赖, 其中光催化CO2转化备受关注, 因为它能够在环境条件下, 利用丰富且免费的太阳能, 将废弃的CO2转化为一氧化碳、甲烷、乙烯和乙醛等有价值的太阳能燃料. 就此而言, 各种半导体材料, 如金属有机框架、Fe2O3、In2O3、CuIn5S8和ZnIn2S4, 已被研究并应用于光催化CO2转化. 同时添加助催化剂已广泛应用于光催化领域以提升光催化性能. 然而, 助催化剂与光催化剂之间缓慢的界面电荷动力学过程限制了该策略的广泛应用.

本文通过原位生长的策略将CoNi2S4纳米颗粒负载在层状富氮空位的g-C3N4上, 从而设计并制备出了富含界面化学键的CN-VN/CoNi2S4光催化剂, 其中CoNi2S4作为助催化剂显著的提升了CO2还原性能. X射线光电子能谱和扩展X射线吸收精细结构结果表明, 在光催化剂的界面处, CN-VN中与氮空位相邻的N原子与CoNi2S4中的Ni原子形成了界面化学键. 重要的是, 界面间的Ni-N键作为原子级的电荷传输通道, 极大地抑制了g-C3N4发生光腐蚀并有效抑制光生载流子的复合, 从而确保了催化剂具有较好的光催化活性和稳定性. CO2程序升温脱附结果证明, 催化剂界面Ni-N键的存在为CO2的吸附提供了活性位点, 从而促进光催化反应. 紫外-可见光-红外光谱、瞬态光电流响应、电化学阻抗曲线和分子荧光光谱等光电化学性质结果表明, g-C3N4在负载CoNi2S4之后, 由于CoNi2S4表现出金属的性质, 所以催化剂对太阳光的吸收显著增强, 其中界面化学键的存在大幅促进了光生载流子的分离. 自由基捕获测试结果表明, 催化剂能有效产生•O2−自由基, 信号明显强于CN-VN和CoNi2S4, 证明复合结构具有更强的氧化还原能力. 因此, 在不使用任何牺牲剂的情况下, 优化后的CN-VN/CoNi2S4光催化剂表现出最佳的CO生成速率为125.8 μmol·g−1·h−1, 是CN-VN的3倍左右. 关键的是, 密度泛函理论结果显示, 界面化学键的存在从根本上改变了反应机制, 不仅大幅降低了中间体形成的活化能, 还动态地将速率决定步骤从*COOH生成转变为CO脱附, 从而优化了整体光催化效率.

综上, 本文阐明了光催化剂表面和界面微环境的关键作用, 并建立了一种设计先进光催化剂的方法框架, 能够将太阳能高效转化为清洁燃料.

关键词: 光催化, 界面化学键, 原位生长, N空位, CO2还原

Abstract:

Cocatalyst loading has been extensively adopted in photocatalysis for enhancing photocatalytic performance. However, the sluggish interfacial charge dynamics between cocatalyst and photocatalyst has restricted the wide applications of such a strategy. Herein, we introduce the Ni-N interfacial bonds between lamellar nitrogen-vacancy-rich g-C3N4/CoNi2S4 nanoparticles (CN-VN/CoNi2S4) composite material to bridge the photogenerated charge carrier separation at their interface. Specifically, extended X-ray absorption fine structure analysis reveals that these Ni-N interfacial bonds are originated from the bonding of CoNi2S4 with the nitrogen atoms adjacent to the nitrogen vacancies (VN) in g-C3N4. Experimental evidence and theoretical calculations reveal that Ni-N interfacial bonds cannot only cause an intimate contact interface between CN-VN/CoNi2S4, but also modulate the charge distribution on the CN-VN and CoNi2S4, further boosting the photogenerated charge carrier separation. More interestingly, this tailored interfacial microenvironment significantly reduces the energy barrier for key intermediates formation while modulates the rate-determining step from *COOH generation to CO desorption, enabling efficient and controllable CO production. This work establishes a methodological framework for engineering advanced photocatalysts, enabling high-efficiency conversion of solar energy into clean fuels.

Key words: Photocatalysis, Interfacial chemical bonds, In-situ growth, Nitrogen-vacancy, CO2 conversion