引言

隨著當前社會經濟的西安隙高速發展，化石能源的工程過度開發與利用在造成能源枯竭的同時，也對生態環境造成了嚴重破壞。大學東北r帶調半導體光催化材料可以直接利用太陽能處理空氣中或者水中有毒有害物質，師大所改善環境，長春S摻具有二次污染小等優點。應化同時光催化劑還可以利用太陽能直接分解水制氧，雜端實現太陽能轉化為易于存儲、甲基潔凈的西安隙化學能，從根本上解決人類面臨的工程能源和環境問題。因此，大學東北r帶調如何合理設計和制備高效、師大所低價、長春S摻穩定且可見光響應的應化光催化劑成為光催化技術廣泛應用的關鍵所在。作為一種非金屬有機半導體光催化劑，雜端石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有廉價易得、安全無毒、能帶結構合適等優點，是一種具有較大前景的可見光催化劑。而如何進一步提高g-C₃N₄的可見光催化性能是一個亟待解決的課題。

成果簡介

硫原子摻雜優化g-C₃N₄能帶結構已被廣泛報道，但大多數S摻雜只能使g-C₃N₄的帶隙減小不超過0.2 eV，相應的光吸收提高僅約36 nm。近日，西安工程大學李云鋒副教授、東北師大邢艷教授以及長春應化所宋術巖研究員以硫代乙酰胺為硫源和封端劑，首次制備了帶隙可調的S摻雜端甲基化g-C₃N₄納米片（SMCN）。實驗結果和DFT計算表明，在Melon骨架中引入甲基不僅可以在聚合反應中起到封端基團的作用，產生結構邊緣缺陷，降低S原子摻雜的能量勢壘。而且在甲基化的Melon單元中摻雜S原子，可以使費米能級附近的價帶分裂，產生一個新的中間帶隙，顯著減小g-C₃N₄的禁帶寬度（~0.7 eV）。由于局域電荷分布和晶格張力的變化，所產生的內部電場有利于電子-空穴的分離。因此，SMCN在降解活性染料和光催化制氫方面表現出優異的光催化性能。相關成果以“Preparation and enhanced photocatalytic performance of sulfur doping terminal-methylated g-C₃N₄?nanosheets with extended visible-light response”發表在J. Mater. Chem. A上。

圖文導讀

圖1：SMCN材料的合成示意圖以及不同S原子取代位點的生成能

（A）SMCN材料的合成示意圖；（B）不同S原子取代位點的生成能

圖2：GCN和SMCN的理論計算結果

（A）GCN和SMCN的理論DOS圖；（B）GCN和SMCN的差異電荷分布圖

圖3：GCN和SMCN的光電性質表征

（A）GCN和SMCN的紫外-可見漫反射光譜；（B）GCN和SMCN的能帶結構；（C）GCN和SMCN的穩態PL光譜；（D）GCN和SMCN的瞬態PL光譜

圖4：GCN和SMCN的光催化測試結果

（A）GCN和SMCN的光降解性能測試；（B）GCN和SMCN的光降解動力學分析；（C）GCN和SMCN的產氫性能測試；（D）SMCN在不同波段入射光下的產氫量

小結

本文首次采用TAA作為硫源和封端劑，成功制備了硫摻雜端甲基化的g-C₃N₄納米片（SMCN）。制備的SMCN材料不僅具有更大的比表面積和更多的結構邊緣缺陷，而且具有獨特的中間帶隙，導致g-C₃N₄的禁帶寬度顯著減小，光響應擴展到近紅外區域。此外，由于局域電荷分布和晶格張力的變化，所產生的內部電場有利于電子-空穴的分離。結果表明，SMCN在光降解活性染料和光催化制氫方面表現出良好的催化活性。本文為設計和制備高性能的g-C₃N₄基光催化劑提供了一條新的、低成本的有效途徑。

文獻鏈接：Preparation and enhanced photocatalytic performance of sulfur doping terminal-methylated g-C₃N₄?nanosheets with extended visible-light response（J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 20640-20648）

李云鋒副教授簡介：

李云鋒，2018年6月獲東北師范大學物理化學專業博士學位（國家“雙一流”學科），同年以“青年拔尖人才”引進到西安工程大學環化學院工作。主要從事半導體光催化材料在環境與能源領域中的應用研究，針對傳統光催化劑量子效率低、太陽能轉化率差等關鍵科學問題，開展了較為系統的研究工作。近年來，已在Adv. Energy Mater.,?Small, J. Mater. Chem. A, J. Hazard. Mater., Nanoscale等國際知名期刊發表10余篇SCI學術論文，先后被Chem. Rev., Adv. Mater.等期刊引用470余次，其中單篇引用量過百論文2篇，并有2篇論文于2015（至今）、2016（至今）入選ESI高被引論文（1%），多篇論文入選期刊HOT Paper。

邢艷教授簡介：

邢艷，教授，博士生導師，中國化學會膠體與界面專業委員會委員，吉林省先進能源材料重點實驗室主任，吉林省電鏡協會副理事長。曾在英國布里斯托大學, 美國匹茲堡大學，卡耐基梅隆大學，加州大學洛杉磯分校進行合作研究工作。近年來，在Adv. Energy Mater.，ACS Nano, Small, Nanoscale, Chem. Commun., Chemistry-A European Journal等國際著名期刊上發表SCI論文近百篇，其中以第一作者和通訊聯系人身份發表SCI論文70余篇。SCI引用2800余次，H-index為28。

本文由李云鋒副教授課題組供稿。

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