石墨烯量子点/卤素掺杂氮化碳纳米片异质结的设计、原位合成与可见光催化制氢性能增强机制

This project focuses on the research of solar energy photocatalytic decomposition of water for hydrogen production, and the development of non-metallic nanoheterojunction photocatalysts with low-cost, environmentally friendly, high stability, high efficiency and wide spectral response. A bottom-up alkali-catalyzed water-phase molecule fusion method was developed to prepare near-monolayer different functional groups functionalized graphene quantum dots. Hydraulic-thermal condensation polymerization method was designed to synthesize halogen-doped carbon nitride bulk materials. By changing the preparation conditions and influencing factors, the in-situ preparation method of graphene quantum dots/halogen-doped carbon nitride nano-heterojunctions using graphene quantum dots as stripping agent was established, and the formation mechanism and regulation rule were revealed. Through the investigation of the structure, optical properties and hydrogen production performance of heterojunctions, the inherent relationship between the properties of hydrogen production and the structure and optical properties of heterojunction photocatalysts was clarified. The role of each component in the heterojunction during photocatalytic hydrogen production was cleared, and revealing the photocatalytic hydrogen production reaction mechanism of nano-heterojunction. The results of project provide a new concept for constructing 0D/2D nanocomposites and provide theoretical guidance for the design and synthesis of nanostructured heterojunction catalysts in the future, and are expected to be important applications in the fields of pollutant degradation, solar cells and artificial photosynthesis carbon dioxide reduction.

本项目围绕太阳能高效光催化分解水制氢开展研究，发展低成本、环境友好、高稳定性、高效宽光谱响应的非金属基纳米异质结光催化剂。采用自下而上碱催化水相分子融合法制备近单层不同官能团功能化石墨烯量子点。设计水热-热缩聚联用法合成卤素掺杂氮化碳块体材料。通过改变制备条件和影响因素，建立以石墨烯量子点为剥离剂的石墨烯量子点/卤素掺杂氮化碳纳米片纳米异质结的原位制备方法，揭示其形成机理和调控规律。研究异质结的形貌、结构、光学性质等特性对制氢性能的影响，揭示光催化材料结构和光学性质与光催化制氢性能之间的构效关系。明确异质结中各组分在光催化制氢过程中的作用，阐明纳米异质结的光催化制氢性能增强机制。研究结果提供了一个全新的概念来构建0D/2D纳米异质结材料，为今后纳米异质结催化剂的设计和合成提供理论指导，同时有望在污染物降解、太阳能电池和人工光合成二氧化碳还原等领域获得重要应用。

本项目主要开展基于新型环境友好石墨烯量子点的可控制备与可控掺杂及其石墨烯量子点/卤素掺杂氮化碳纳米片纳米异质结的制备、高效光催化分解水制氢性能和作用机制进行系统的研究。主要研究内容如下：（1）提出表面吸电子/给电子基团调控策略制备全色荧光碳量子点，使量子点对可见光的吸收达到700纳米，接近近红外区域；（2）机器学习辅助制备高质量碳量子点；（3）提出新颖的卤素掺杂策略，获得长寿命的石墨烯量子点，有利于电子和空穴的分离；（4）利用水热和煅烧耦合技术成功合成了高效稳定的管状B掺杂氮化碳。最佳的B-CNNT-3具有均匀的管状结构，赋予大的比表面积，高石墨化和丰富的暴露活性位点。此外，B-CNNT-3的最长寿命（7.69 ns）表明存在大量高速传输载流子。最后，B-CNNT-3的产H2能力约是CN的64倍，并且在可见光照射下表现出强大的可稳定使用的能力。我们的研究结果可以为生产高效可持续的光催化剂以解决全球能源和环境问题提供一个新的思路；（5）通过一种静电自组装热诱导结合超声辅助技术成功合成了无金属的BNS掺杂石墨氮化碳（g-C3N4）异质结纳米片（B-CN）。形貌表征成功地证实了2D的BNS和g-C3N4偶联，形成了紧密的异质结结构。优化的光催化剂3.0B-CN的H2生成速率为g-C3N4的35倍，为19.911 mmol h-1 g-1。在兼具催化活性的同时，还具备令人印象深刻的稳定性。我们的工作可能会为绿色的未来非金属2D光催化HER材料的设计和制备提供新的见解。执行期间研究结果提供了一个全新的概念来构建0D/2D纳米异质结材料，为今后纳米异质结催化剂的设计和合成提供理论指导，同时有望在污染物降解、太阳能电池和人工光合成二氧化碳还原等领域获得重要应用。