青岛农大马永超教授等在CEJ报道了“合二为一”策略用于提高非金属聚合物光电转换性能研究- 大数跨境

首页

青岛农大马永超教授等在CEJ报道了“合二为一”策略用于提高非金属聚合物光电转换性能研究

科学材料站

2021-04-11

导读：本文通过一步热聚合方法制备了管状多孔的g-C3N4同质结材料

文章信息

管状的g-C3N4同质结构建高效的半导体光电材料

第一作者：马永超

通讯作者：马永超*，王广钊*，姜文君*，Park Sung Heum*

单位：青岛农业大学，长江师范学院，中国空间技术研究院，韩国釜庆国立大学

研究背景

石墨相氮化碳（g-C3N4）材料由于其独特的物理化学特性，在催化、传感等领域有广泛应用。其中，以g-C3N4为核心的光催化技术可以通过裂解水产生氢气，受到研究人员的广泛关注。

研究表明该材料具有较大的激子结合能。其光电转换效率受限于低的光生载流子产生与分离。形貌调节和构建异质结能够有效地提高激子分离和载流子转移。相比于异质结而言，同质结除了能产生内建电场外，界面处材料相同的组分也可以保证化学键合的完整性。

另外，管状形貌可以缩短载流子扩散距离并提供丰富的反应位点。因此，合成管状的g-C3N4同质结对于构建高效的g-C3N4半导体光电材料具有十分重要的意义。

文章简介

基于此，青岛农业大学师进生教授课题组青年教师马永超教授（第一作者/共同通讯）、韩国釜庆国立大学Park Sung Heum教授、长江师范学院王广钊教授、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室姜文君研究员（共同通讯）在前期有关半导体光电材料构-效关系探索的基础上，通过一步热聚合方法制备了管状多孔的g-C3N4同质结材料。

光谱学研究表明三嗪单元和吡啶单元的存在促进了g-C3N4材料中激子的有效分离且抑制了载流子的复合。理论计算表明该同质结可以降低氢的Gibbs自由能且有利于水的吸附。这些特性极大地增强了该材料的产氢性能。

相关成果以题为“In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight”（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128802）发表在国际著名期刊Chemical Engineering Journal（IF=10.652）上。

本文要点

要点一：材料的结构和形貌表征

图1 (a) 原始的氮化碳纳米片和 (b, c) 富含吡啶的氮化碳纳米管的SEM 图。原始的氮化碳纳米片的(d)TEM图。富含吡啶的氮化碳纳米管的(e, f) TEM, (g) HRTEM 和 (h) TEM mapping图。(j) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的 N 1s XPS谱图和 (k) 13C 固态NMR谱。

要点二：材料的性能表征

图2 (a) 氮化碳纳米片和富含吡啶的氮化碳纳米管的光催化产H2性能曲线图。(b) 半胱氨酸改性的氮化碳的产H2性能柱状图。(c) 光照15小时富含吡啶的氮化碳纳米管的产H2图。(d) 氢吸附自由能。

要点三：构效关系研究

图3 (a) melem和Py-melem的分子结构示意图。(b) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的共轭聚合物的示意图。(c) 氮化碳和富含吡啶的氮化碳的VBM 和 CBM 分布。(d) 左图: melem基聚合物和Py-melem基聚合物通过计算得到的能级位置及VBM和CBM。右图：形成同质结之后的能带结构调节示意图。(e) 光催化性能提高的可能机理。

要点四：前瞻

当前对g-C3N4由同质结效应增强性能的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于氮化碳骨架的具有π电子共轭性质，调制π电子的行为对于改善材料的光电转换性能具有重要意义。因此在不改变氮化碳骨架的同时，引入其它官能团可以调控激发π电子的分离和转移行为。

文章链接

In-situ intramolecular synthesis of tubular carbon nitride S-scheme homojunctions with exceptional in-plane exciton splitting and mechanism insight

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721003995?via%3Dihub