基于均相非晶化构筑宽光谱响应的氮化碳基光催化材料

Photocatalysis can convert solar energy to chemical energy. The key to realizing its practical application is to develop highly efficient solar-driven photocatalysts. The prerequisite to realize solar-driven photocatalysis is a wide light absorption range of photocatalysts. However, the lack of stable photocatalysts with a wide light responsive range intrinsically limits the development of photocatalysis. This project aims to develop a class of stable photocatalysts with the wide visible light absorption range for solar energy conversion. The key idea is to use the homogeneous amorphization strategy to tailor band structures. Based on the unique atomic arrangements of graphitic carbon nitride featuring the coexistence of van der Waals forces, hydrogen bonds and covalent bonds, it is proposed that the homogenous amorphization can be realized by disrupting the weak bonds (van der Waals forces and hydrogen bonds) maintained long-range ordered atomic arrangements. This will greatly increase the light absorption range by extending band tails. This project will lead to an establishment of methods of realizing the homogeneous amorphization and a fundamental understanding of how the homogeneous amorphization can increase the light absorption range of photocatalysts. In long term, the knowledge created in this program will greatly contribute to the development of high-efficiency photocatalysts with a wide light absorption range based on the homogeneous amorphization, and the application of photocatalysts in renewable energy and clean environment areas.

光催化可实现太阳能到化学能的转化，其走向应用的关键是发展能在太阳光下高效工作的光催化材料，宽光谱吸收是实现太阳能驱动高效光催化的首要前提，但能实现宽光谱响应的稳定光催化材料十分匮乏，限制了光催化的发展。本项目提出利用均相非晶化的新思路来发展宽光谱响应的光催化材料，拟以石墨态氮化碳独特的原子结构（范德华力、氢键和共价键共存）为切入点，通过破坏弱键（范德华力和氢键）维系的长程有序原子排列来实现均相非晶化，均相非晶化带来的带尾延伸可大幅增加可见光吸收范围，进而发展出一类宽光谱响应的均相非晶化氮化碳基新型光催化材料。本项目旨在建立实现均相非晶化的方法，阐明基于均相非晶化实现光催化材料宽光谱吸收的规律和机制，为基于均相非晶化发展宽光谱响应的高性能光催化材料提供科学依据，促进光催化材料在可再生能源和清洁环境领域的应用。

光催化是实现太阳能向化学能转化的关键技术之一，发展宽光谱吸收和响应的光催化材料是实现太阳能驱动高效光催化的首要前提。在分析光催化材料微观结构有序性与能带结构间的内在联系基础上，本项目提出了基于均相非晶化发展宽光谱响应光催化材料的新思路。项目执行期间，以键合结构丰富的石墨相氮化碳作为主要研究对象和切入点，兼顾其他典型光催化材料，通过对非晶化等能带调控要素的空间分布进行有效调控，取得了系列研究进展。实现了氮化碳层内氢键的选择性断裂，得到可控非晶化的多孔氮化碳，实现了光吸收、光生电荷分离以及表面转移的统筹优化；发展了利用高压氢气气氛下热处理获得短程有序性破坏、含丰富氮空位、宽光谱吸收和响应的石墨相氮化碳的方法；利用氟化-退氟工艺在石墨态氮化碳中引入氰基和边缘氮空位，获得吸收边扩展到578 nm的原子级二维氮化碳纳米片；基于氮化碳体系能带结构调控所积累的研究策略应用于金属氧化物体系，例如提出了一种“非侵入式”能带结构调控新方法，利用表面构筑的无定形的B-O-N超薄壳层，在N原子未进入SrTiO3状态下产生了远高于传统氮掺杂SrTiO3的全光谱和可见光下的光催化产氢性能。受邀为Chemical Society Reviews撰写了二维捕光材料相关研究的综述。相关研究结果建立了利用非晶化结构以及其他能带调控剂的空间分布对光催化材料进行有效能带调控的系列方法，阐明了基于非晶化等能带调控要素的空间分布实现光催化材料宽光谱吸收、光生电荷分离与转移的规律和机制，为基于非晶化等能带调控要素的空间分布发展宽光谱响应的高性能光催化材料提供了科学依据。