近日，中國科學院合肥物質院強磁場中心喻志武研究員及其合作者，依托穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)，創新性地將超分子自組裝工程和缺陷工程結合起來，成功的合成了一種具有氮(N)空位和明顯n–π*躍遷的管狀氮化碳催化劑(T-0.9ODHCN)，其相較于原始塊狀氮化碳，光催化產氫性能增長了31.2倍。相關成果發表于國際期刊《化學工程期刊》(Chemical Engineering Journal 501 (2024) 157670)。
 

　　自2009年首次報道了氮化碳作為半導體材料可用于可見光催化分解水以來，氮化碳基光催化劑研究一直受到廣泛關注。然而由于比表面積小，光生電子-空穴對分離效率低以及可見光利用率低這三個缺點極大的限制了氮化碳材料的實際應用。
 

　　研究團隊合成的T-0.9ODHCN氮化碳光催化劑，巧妙的在氮化碳七嗪環骨架中引入N空位，借助SHMFF的電子自旋共振譜儀(ESR)對氮空位進行了結構表征，表明N空位增加了共軛體系中 π 電子的離域，因此激發了n-π * 躍遷。獨特的管狀結構不僅增加了氮化碳的比表面積，而且還提供了大量的活性位點，同時由于管狀結構中光的折射和反射，增加了可見光的利用率。氮空位導致了缺陷能級的存在，因此縮短了氮化碳的禁帶寬度，促使更多的光生電子參與到光催化產氫實驗中；n-π * 電子躍遷使得氮化碳的可見光吸收范圍發生紅移，并減緩了激子的湮滅過程，延長了淺電子捕獲態的壽命，因此抑制了光生載流子的復合，極大的提高了光催化活性。
 

　　該研究工作揭示了氮空位和n–π*躍遷以及形貌控制在促進光生電子分離和遷移過程中的關鍵作用，為氮化碳基光催化材料的性能提升提供了新的策略。
 

　　論文第一作者為安徽大學聯培研究生徐智俐，通訊作者為強磁場中心喻志武研究員、王俊峰研究員和固體所徐偉宏研究員。該研究工作得到了國家自然科學基金項目的資助。
 

圖1. 基于飛秒瞬態吸收光譜獲得的電子躍遷示意圖