河北大学王文静/华北电力大学陈亮CEJ: 氯/钴互补促进氮化碳CO2光催化

随着大气中CO₂的持续累积，日益严峻的全球变暖问题导致极端气候事件频发。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术已成为控制CO₂排放的关键手段。其中，光催化CO₂还原技术能利用太阳能将CO₂转化为CO、CH₄等具有经济价值的化学品，兼具环境效益与经济效益，被视为极具前景的CO₂资源化利用方案。该技术的核心挑战在于开发高性能光催化剂。石墨相氮化碳（CN）是一种有潜力光催化剂，CN具有能利用可见光、高化学稳定性、易制备等优点。但对可见光响应能力不足、光生电子-空穴复合严重等，是限制其光催化CO₂还原效率的主要原因。

近日，来自华北电力大学的陈亮副教授与河北大学的王文静研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Complementary enhancement of light harvest and charge separation by Cl and Co doping of g-C₃N₄ for photocatalytic CO₂ reduction”的研究论文。该研究设计了一种非金属Cl与金属Co共掺杂的g-C₃N₄材料（Cl/Co-CN），通过Cl与Co的协同互补效应突破了纯氮化碳在光吸收和电荷分离方面的固有局限：Cl掺杂拓宽CN的光吸收范围，Co掺杂抑制电子-空穴复合并降低电荷迁移阻力，Cl/Co-CN的CO产率达到纯CN的11倍，远超单一Cl掺杂CN与Co掺杂CN的产率之和。

如图2，采用对薄层氮化碳水热处理的方法制备Cl、Co共掺杂氮化碳Cl/Co-CN，TEM-EDS测试表明Cl、Co元素均匀掺杂进CN中。所制备的Cl/Co-CN基本上保持了CN的薄层结构，但水热、掺杂过程使其变得更薄。

图3a-b的XRD和FTIR测试表明，Cl、Co掺杂对CN的晶体结构和官能团影响不大。XPS分析（图3c-f）表明，在CN中，Cl与C成键，而Co倾向于与N结合。

催化剂的光吸收及能带结构分析（图5）表明，Cl掺杂能显著降低CN的带隙，提升其可见光吸收范围，而Co掺杂对其可见光吸收范围影响较小。催化剂电荷分离与迁移性能表征（图6）表明，相比Cl掺杂，Co掺杂具有更强的抑制CN光生电子-空穴复合、降低电荷传递阻力的能力。结合图5和图6可以发现，Cl与Co掺杂能够发挥互补作用，共同提升CN的光吸收能力和电荷分离、迁移能力。DFT计算（图7）进一步表明，Cl/Co-CN的价带VBM和导带CBM分布较纯CN更为离散，从而促进电子-空穴分离。Cl、Co掺杂还能通过促进CO₂在CN表面的吸附以及CO产物在CN表面的解吸来提升CO的产率。

通过水热法成功制备了Cl和Co共掺杂的g-C₃N₄催化剂。测试结果表明，与纯CN相比，单一Cl-CN和Co-CN的CO生成量仅略有提升，而Cl/Co-CN的CO产率提升到CN的11倍，且显著超过Cl-CN与Co-CN产量的总和，这表明Cl与Co掺杂在提升CN材料CO₂光还原活性方面具有协同效应。其中，Cl掺杂主要通过缩小带隙拓宽CN的光吸收范围，而Co掺杂则通过抑制载流子复合、降低电荷迁移阻力发挥作用。两种掺杂的互补作用有效克服了CN材料的主要缺陷。该研究为提升氮化碳光催化CO₂还原性能提供了新的策略。

王文静：河北大学研究员，硕导，博士。被授予“河北省省级特聘专家”称号，入选“新时代保定好青年”称号、河北大学五四青年奖章。主要从事碳捕集与利用技术的研发与推广。主持国家自然科学基金、河北省引进海外高层次人才项目、河北省自然科学基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目等纵向项目10项。在Chemical Engineering Journal、Advanced Functional Materials、Applied Energy、Bioresource Technology、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Fuel等国际权威期刊，发表学术论文40 余篇，其中包括20余篇第一/通讯作者论文。担任国际期刊Separation and Purification Technology、Green Energy and Resources 的青年编委。

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