两江科技评论

2018-08-25

导读：近日，南京大学吴兴龙教授和刘力哲副教授研究团队，将半金属碳氮化物纳米片与人造纳米管阵列结构相结合，构造了一种高效的光催化析氢体系，可进一步增强光电耦合和太阳能利用率，得到的析氢速率高达1009μmol

导读

近日，南京大学吴兴龙教授和刘力哲副教授研究团队，将半金属碳氮化物纳米片与人造纳米管阵列结构相结合，构造了一种高效的光催化析氢体系，可进一步增强光电耦合和太阳能利用率，得到的析氢速率高达1009μmolg^-1h^-1。相关工作以“Half-metallic carbon nitride nanosheets with micro grid mode resonance structure forefficient photocatalytic hydrogen evolution”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

背景介绍

能源是人类社会赖以生存和发展的基础。随着工业的发展，人类对能源的需求也一直在增长。在环境污染日益严重的形势下，清洁能源的开发与利用成了环保和可持续经济增长的重头戏。氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。

然而，在许多应用中，氢气的提取缺乏稳定、高效和廉价的催化剂。过去，研究人员就曾提出采用既经济、资源又丰富的无金属（metal-free）光催化剂，如碳量子点、黑磷、石墨化碳氮化物，以取代含铁的催化剂，特别是昂贵的Pt催化剂。上述无金属半导体光催化剂具有大量暴露的活性位点，有望成为最优的析氢反应(HER)催化剂。

创新研究

在本项工作中，南京大学的研究人员将半金属碳氮化物[hm-C(CN)₃]纳米片与人造纳米管阵列相结合，形成光催化体系，不仅有效地促进了载流子转移，而且为析氢反应提供了更多的活性位点，从而达到高效的析氢效果（氢析速率可达到1009μmolg^-1h^-1，比原始g-C₃N₄薄片高约62.8倍）。该系统中，这种人造纳米管阵列不仅能用作微栅模式共振（micro grid mode resonance）来调节光电耦合过程以增强太阳能的利用，而且还可作为控制氮化碳纳米片尺寸的模板。

具体来说，他们通过原位热解咪唑鎓离子液体得到二维hm-C(CN)₃纳米片，并将它掺入人造纳米管阵列（纳米多孔阳极氧化铝膜，AAM），形成[MG @ hm-C(CN)₃]结构。氮化碳结合后，原始的透明纳米多孔阳极氧化铝膜变为黑色（图3a），这直观地反映了制备的人造微结构具有优异的宽带太阳光吸收性能。并且，当将hm-C(CN)₃纳米片结合到AAM的纳米孔中时，整体太阳能吸收效率得到增强；这种吸收增强可以归因于微栅模式共振，它引起了纳米管壁和光传输路径上的有效介电常数的变化。为了解释这种光学机制，研究人员采用有限差分时域（FDTD）方法计算了人造纳米管中的光场分布，FDTD模拟显示纳米管表面的电场分布得到了显著的增强。

随后，研究人员在Xe灯照射下，用AM1.5G滤光器在混合的10％（体积比）三乙醇胺水溶液中检测不同样品的光催化析氢活性。他们观察到hm-C(CN)₃片材的氢气生成速率大大提高，这是因为优异的光学吸收能够诱导更多的光生载流子，并且其半金属特征有利于电子快速转移和电子-空穴对的高效分离。此外，他们构造的圆柱形谐振器（空隙谐振器）内壁是粗糙不平的，理论计算表明：具有粗糙内壁的圆柱形谐振器可以减少反射并增加等效光学长度，这使得入射光以相干叠加行进，从而产生线性的近红外（NIR）吸收。

这种人造微结构不仅大大提高了太阳能的利用效率，而且明显提高了光催化剂的稳定性和可回收性。更重要的是，这种微结构可以控制氮化碳材料的尺寸而不会发生液体剥落。最后，根据研究结果，文章提出了半金属碳氮化物材料微观结构优化的策略，同时为电催化、光电催化和光伏电池中的电子转移和太阳能吸收等研究提供了新思路。

图文速览

图一 hm-C(CN)₃材料的表征