湖南大学黄维清教授&黄桂芳教授团队CEJ：主-客体超分子策略构建富π-电子氮化碳纳米笼助力光催化水分解- 大数跨境

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湖南大学黄维清教授&黄桂芳教授团队CEJ：主-客体超分子策略构建富π-电子氮化碳纳米笼助力光催化水分解

科学材料站

2021-10-25

导读：该文章发展了一种主客体自组装策略来构建富含π-电子C掺杂氮化碳(CN-C)纳米笼用于光催化分解水。

文章信息

主-客体超分子策略构建富π-电子氮化碳纳米笼助力光催化水分解

第一作者：李媛媛

通讯作者：黄维清*，黄桂芳*

单位：湖南大学

研究背景

开发高效的光催化剂对于光解水制取绿色氢气而言至关重要。聚合物氮化碳(CN)作为目前最有前途的无金属光催化剂，在光催化水分解方面具有巨大潜力。然而，CN催化性能受光生载流子复合速率快、量子效率低、比表面积小等缺点的限制，以CN中空纳米结构为基础调控CN中π-电子密度是增强其催化性能的一种有效策略。

共聚法是制备高π-电子密度的一种代表性方法，即通过热解富含π-电子单体和富含氮单体（如三聚氰胺、双氰胺或氰胺）两种单体所获得，但该方法要求两种单体的物理化学性质(如升华温度等)需高度匹配。

因此，开发一种可行的途径通过共聚合两个物理化学性质不匹配的单体实现将π-电子引入CN中空纳米结构中仍然是一个具有挑战性的课题。

文章简介

基于此，湖南大学黄维清教授&黄桂芳教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“A host–guest self-assembly strategy to enhance π-electron densities in ultrathin porous carbon nitride nanocages toward highly efficient hydrogen evolution”的研究论文。

该文章发展了一种主客体自组装策略来构建富含π-电子C掺杂氮化碳(CN-C)纳米笼用于光催化分解水。此方法克服了传统共聚方法的主要挑战之一，即富含π-电子单体与富含氮单体的化学结构和物理性质需高度匹配。

CN-C中高π-电子密度和多孔超薄纳米笼结构的合成主要依赖于主体超分子前体生长和客体超分子的自我调节的合作，以弥补各组分的内在不足。制备的多孔CN-C纳米笼在光催化分解水中表现出优异的催化性能(产氢效率相对于纯CN提升了近19倍)和循环稳定性。

图1. 富含π-电子CN-C纳米笼催化剂制备过程的示意图

文章要点

要点一：构建富含π-电子CN-C纳米笼的新方法

主-客体超分子自组装法构建了富含π-电子CN-C纳米笼。基于尿素和草酰胺形成的客体超分子结构插层三聚氰胺和三聚氰酸形成的主体超分子组装构建六棱柱状前驱体，经可控热解合成多孔超薄CN-C纳米笼。

团队研究发现客体超分子在合成过程中主要起到两个作用：一是通过客体超分子的自我调节的合作，以弥补各组分的内在不足，实现与主体超分子的物理化学性质相匹配；二是通过客体超分子插层弱化主体超分子层间相互作用以及游离客体超分子对主体超分子的保护，从而形成超薄双层的纳米笼结构。

要点二：理论计算探究HER活性增强机制

密度泛函理论（DFT）计算结果表明，π-电子密度的提高实现了HOMO和LUMO的空间分离，加快了电荷动力学过程，增强了层内和层间光生电荷载流子的分离和传输，从而增强了HER性能。

要点三：出色的光催化水分解制氢性能

该富含π-电子多孔超薄CN-C纳米笼在光催化分解水中表现出优异的催化性能(产氢效率相对于纯CN提升了近19倍)和循环稳定性。该工作为调控碳基材料的形态和π-电子密度方面提供了分子水平角度的见解，促进了这类材料在催化和能源方面的应用。

文章链接

A host–guest self-assembly strategy to enhance π-electron densities in ultrathin porous carbon nitride nanocages toward highly efficient hydrogen evolution

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721044557

第一作者简介

李媛媛博士.

2021年6月毕业于湖南大学并获得博士学位。目前在河南工业大学就职。主要致力于先进碳基材料、过渡金属有机框架以及过渡金属磷化物的设计合成用于光电催化全解水领域研究。目前已在国际权威 SCI 期刊上共发表论文18篇，其中第一作者论文6篇，多篇论文入选热点和高被引论文。

通讯作者简介

黄维清教授.

黄维清教授的主要研究方向是计算凝聚态物理，清洁能源材料物理及器件,微纳结构光电功能材料物理, 清洁能源和绿色环境材料。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater., NanoLett., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, Phys.Rev. B等杂志发表论文200余篇，SCI引用4800余次， H因子35。

黄桂芳教授.

黄桂芳教授的主要研究方向是新能源和环境材料，计算凝聚态物理。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater., NanoLett., Adv. Funct. Mater., Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale, Phys.Rev. B等学术杂志上发表论文100多篇，获批国际专利一项，发明专利两项，实用新型专利两项，起草国家标准两项、机械行业标准两项。