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在众多光催化剂中，具有独特结构的石墨相氮化碳g-C3N4由于其良好的光催化性能，成为了目前研究的热点。相比于其他的光催化剂，它的优点十分突出：能够吸收可见光、热稳定性和化学稳定性良好，并且无毒、来源丰富、制备成型工艺也简单。 我们特地为大家整理了24篇g-C3N4光催化优质工作，点击小标题可以直接跳转资讯详情。 Adv.Funct. Mater.-清华大学李景虹教授和刘会娟教授 通过超声空蚀效应设计了均匀“局部加热”方法，用以在2D C3N4纳米片中嵌入高度结晶的碳量子点（CQD）。基于密度泛函理论计算和电化学测试，研究人员发现在C3N4中引入CQDs不仅可以拓展光吸收谱区段，而且还可以减小电子的有效质量（e-），从而降低与空穴复合的几率，促进光生载流子转移。此外，高度有序的CQDs具有优异的过氧化物酶模拟活性，能够逐步通过以下过程提高催化产氢效率：（i）2H2O → H2O2 + H2；（ii）H2O2 → 2·OH；（iii）·OH + 双酚A → 最终产物，其产氢率可达152 μmol g-1h-1，为纯C3N4的数倍之高。 Adv. Energy Mater.-天津理工大学卢秀利和鲁统部 首次报道了一种简单的超薄二维g-C3N4/graphdiyne——石墨炔（GDY）异质结构建方法，通过在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶液中发生溶剂热反应，成功将2D g-C3N4负载在2D GDY的3D纳米片阵列上，并将其用作光电阴极，成功提高了g-C3N4的空穴传输速率。合成的g-C3N4/GDY异质结为光生空穴提供了丰富的传输通道，由于GDY具备较高的空穴迁移率，从g-C3N4注入到GDY中的光生空穴在其内部快速转移，从而在0.1 M Na2SO4溶液中0 V vs. NHE偏压下，具有-98 μA cm-2的优异光电流，比单纯的 g-C3N4光电阴极（相同条件下，-32 μA cm-2）高出三倍。 Chemical Reviews-莫纳什大学的Wee-Jun Ong团队 整合了g-C3N4材料的研究进展，在催化方面的应用；介绍了研究过程中面临的问题与挑战，以及已经采用的优化方法；最后展望了g-C3N4未来的发展方向与应用前景。这篇文献激励了科研工作者们去不断改善该技术，打开下一代g-C3N4的研究之门。 4. 兼具氧还原和氧析出高活性过渡金属配位的g-C3N4基新型电催化剂 JACS-澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授课题组 以一种新型的富氮化合物——氮化碳（graphitic carbon nitride,g-C3N4）为平台开发出一系列同时对氧还原和氧析出具有高活性的新型金属-氮-碳化合物催化剂。 Nano Energy-中国地质大学（北京）张以河教授和黄洪伟副教授 首次报道了通过中间体转化策略合成同时具有中空、多孔和薄层的牛角状g-C3N4管状结构（HHMU g-C3N4），通过控制反应物比例、煅烧速率、引入铵盐的种类以及细致地研究聚合过程，发现只有适量的NH4Br与三聚氰胺在固定的热聚合条件下，才能形成均一的牛角状含Br的中间体，再进一步热解转化成为牛角状中空多孔薄层管状g-C3N4。 6. 纳米尺寸的红磷修饰g-C3N4降低电荷复合并应用于光（电）催化 Adv. Funct. Mater.- 香港中文大学的余济美教授团队 发现掺杂超小红磷晶体在g-C3N4纳米片上能够减少g-C3N4结构的缺陷，而且通过形成新的化学键来产生更多的有效的电荷分离，提高光催化产氢活性。到目前为止，这一杂化体系中所获得的产氢速率是迄今为止所报告的所有磷掺杂g-C3N4光催化剂中最高的。 7. 石墨相C3N4的化学剪裁：可逆自组装与选择性吸脱附应用 ACS Nano-东南大学张袁健教授课题组 提出通过水解的方法制备了表面修饰的氮化碳纳米纤维。由于具有较小的尺寸和表面丰富的氨基和羟基，氮化碳纳米纤维在CO2存在的条件下能够组装成三维凝胶网络结构，并且通入N2可以实现可逆地恢复至初始的溶胶状态。进一步实验表明，以染料分子为模型化合物，发现C3N4凝胶对染料分子展现出高选择性的吸附行为，其选择性是π-π相互作用和静电效应共同作用的结果。同时，利用C3N4纳米纤维的可逆组装行为，被吸附的染料分子可以被可逆地释放。与三维石墨烯和活性炭等常见吸附剂相比，C3N4凝胶不仅具有相当的吸附容量（402 mg/g），并且还展现出高选择性和低能耗的再生优势。这一发现，有望进一步推动氮化碳材料应用于分析物的高选择性富集和特异性检测。 Adv. Funct. Mater.- 澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋教授 制备了一种海绵状的分层结构的无定型碳化氮。结合实验和时间分辨模拟发现了海绵状的无定型碳化氮产生全内光反射散射的能力，这能够促进局域电荷载流子的分离。扩散反射和瞬态荧光衰减研究显示了非常好的一致性，海绵状无定型氮化碳相比块体材料光捕捉提高40%，电子寿命延长了≈23倍。在10vol%三乙醇胺和1 wt% Pt助催化剂的反应体系中，产氢的新的高基准达到了203.5μmol h−1而且在λ = 420 nm量子效率达到了6.1%。 9. 人工光合成—牢固吸附双钌配合物的氮化碳纳米片光催化还原CO2 Angew. Chem. Int. Ed.-东京工业大学Osamu Ishitani教授与Kazuhiko Maeda副教授 设计合成了一系列基于有机半导体C3N4的新型人工光合成催化剂。在2016年该研究组制备了一个复合型光催化剂RuRu'/Ag/mpg-C3N4，在该成果的基础上，研究人员采用了具有纳米片（nanosheet，NS）结构的氮化碳NS-C3N4代替之前的mpg-C3N4作载体，获得了一个新型的光催化剂RuRu'/Ag/NS-C3N4（图1b）。通过该催化剂各个部分默契的协同作用，成功地实现了在可见光下水相中催化还原CO2成甲酸盐反应的高选择性（99%）和高TON（2090），这是迄今报道的同类催化剂中最高的CO2还原选择性和最高的催化剂耐久性。相关的工作发表在上。 Small-新加坡南洋理工大学薛灿教授课题组 实现了低温水热可控合成由含氧氮化碳核和共价交联的三嗪基染料表面组成的自敏化型无金属催化剂。这些自敏化氮化碳（SSCN）微球具有高可见光光催化H2释放活性，并且具有优良的稳定性（超过100小时反应）。与有效光吸收边在450 nm的传统g-C3N4相比，氮化碳微球表面的三嗪聚合物染料允许更为广泛的有效可见光吸收，将H2释放作用波长延长至600 nm。相信这种新型的高稳定的自敏化无金属结构为低成本催化剂的有效和持久太阳能燃料生产的未来发展提供了一个新方向。 11. 让阳光来净化空气：基于有机半导体的“Z型”光催化体系在氮氧化物去除方面的应用 ACS Catal.-中国科学院新疆理化技术研究所王传义团队
在植物光合作用电子传输机制的启发下，通过在g-C3N4表面原位嫁接有机半导体苝二酰亚胺（PTCDI），开发出了一种新型全固态“Z型”光催化剂（PI-g-C3N4），对NO的光催化去除有独特的效果。与单纯的g-C3N4和PTCDI相比，PI-g-C3N4拥有更强的氧化能力和还原能力。在光催化去除NO时，PI-g-C3N4将NO的去除过程分为三步完成。首先，NO分子在PI-g-C3N4体系中PTCDI部位被氧化为NO2，同时O2在g-C3N4部位被还原为H2O2；随后，经过扩散作用，NO2在活性位点以外的地方被H2O2氧化为NO3--。这样，PI-g-C3N4既能高效彻底的将NO氧化为NO3-，又能有效缓解NO3-带来的失活问题。 JACS-澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授
在g-C3N4基体上的Ru催化剂存在的异常晶型变化，诱导产生HER高活性。 Adv. Energy Mater.-慕尼黑大学的Bettina V. Lotsch教授
发现石墨相氮化碳（g-C3N4）的氨基可用合成的尿素组官能团代替，以取得更好的催化性能。在模拟太阳光和最佳的Pt负载下，该尿素官能团氮化碳在有机和聚合物光催化剂反应析氢时有很高的活性，甲醇作为牺牲剂，该反应表观量子效率达到了18%，析氢速率是对应非官能团的近30倍。在没有Pt的情况下，尿素衍生物材料的析氢速率是非官能团材料的四倍以上。 JACS-阿德莱德大学的乔世璋教授课题组
首先分析了二氧化碳在铜单晶表面还原为甲烷的反应路径，并且发现了一个有趣的现象。反应的中间产物可以分为两组，第一组出现于具有较少的电子转移数目时(严格来说是转移一个电子到四个电子时)，表面反应中间体都是通过碳原子锚定在催化剂表面。第二组中间产物出现于转移了五到七个电子后，他们都通过氧原子锚定在铜的表面。根据这一现象，他们期待有这样一种催化剂的存在：首先该催化剂中有铜的参与；其次在反应的前一阶段，该催化剂的活性位点对含碳基团的吸附较强；对于反应的后一阶段，该催化剂的活性位点对含氧基团的吸附较强。基于以上的考虑，他们选取氮化碳（g-C3N4）结构作为负载铜的“脚手架”，完美契合了此前对于优秀CRR催化剂的三个设想 ACS Catalysis-中佛罗里达大学的Wenhan Niu博士和Yang Yang教授
以具有π电子系统的结晶碳作为共轭体，将其均匀分散地植入g-C3N4的网络结构中，形成一种结晶碳共轭的g-C3N4异质结构。该材料的具体合成方法是以乳糖作为碳源、钴盐作为催化剂、三聚氰胺作为g-C3N4前驱体，首先通过一步低温热聚合上述混合物形成非晶碳共轭的g-C3N4，然后钴金属在高温处理过程中作为石墨化催化剂进一步促进非晶碳域转化为结晶碳域，形成结晶碳共轭的g-C3N4。其中这种结晶碳域在g-C3N4中形成连续的电子传输通道，使结晶碳周围的吡啶碳具有一定的电化学活性。另外，钴金属同时还与g-C3N4中的三嗪结构形成配位（Co-C3N4/C），进一步提高了g-C3N4的电催化性能，并且实现了该催化剂的ORR和OER双功能化。相关研究成果发表在上。 16. 利用光沉积技术有效控制异质结和直接Z-scheme的形成 ACS Catalysis-北京工业大学孙再成教授课题组
利用光沉积技术来实现对光生电荷的有效控制，从而实现有意识地构建异质结结构或者直接型Z-scheme。作者想到光沉积技术广泛应用于光催化剂中助催化剂Pt的负载，利用光生电子来还原Pt，并将Pt纳米颗粒沉积在光生电子流动的位点。因此，作者以石墨相氮化碳为底物，利用光沉积技术来还原单质硫沉积的CdS纳米颗粒，由此获得CdS/g-C3N4复合光催化剂。 17 .碳掺杂TiO2改性g-C3N4的合理设计及其优异制氢稳定性 Nano Energy-燕山大学刘日平教授、张新宇教授和泰国朱拉隆功大学秦家千研究员
报道了一种具有较窄带隙以及较长载流子寿命的微量碳掺杂TiO2改性g-C3N4（C-TiO2/g-g-C3N4） ，上述异质结光催化剂可通过简单的热处理法合成。光生载流子分离增强以及较窄的带隙使得光催化活性有所提升，在三乙醇胺溶液中5h和64h内氢气产生量分别为5.728mmol/g和52.395 mmol/g。420 nm处C-TiO2/g-C3N4的表观量子效率约为6.2%，是原始g-C3N4（2.6%）的2.4倍。由于其优越的光催化性能和较强的光稳定性，该光催化剂有望在光能转换和环境修复等领域得到实际应用。 18. MoB/g-C3N4界面材料作为Schottky催化剂促进析氢 Angew. Chem. Int. Ed.-麦立强&郭少军
基于金属-半导体肖特基结原理，创造性地构筑了具有Schottky效应的MoB/g-C3N4析氢催化剂。通过一系列的谱学测试发现，n型半导体g-C3N4的引入使得MoB/g-C3N4界面处产生了明显的电荷再分布，增加了MoB表面的局部电子密度。该肖特基催化剂展现出良好的HER活性，Tafel斜率达为46mV dec-1，交换电流密度高达17μA cm-2，远高于MoB。第一性原理计算表明，Schottky效应可以显著促进质子在MoB表面的吸附和活化， 有利于表面氢气的生成。 19. g-C3N4/Bi4O5I2异质结光催化还原CO2制燃料 Appl. Catal. B Environ.-南阳师范学院叶立群与西南石油大学白杨，
报道了通过前驱体水解法制备的g-C3N4/Bi4O5I2异质结光催化剂，并应用到可见光还原CO2制燃料。氧活性物种量化实验、I3d 光电子能谱证实了该异质结通过产生I-/I3的氧化还原介质，直接Z-机制增强光催化还原二氧化碳效率。这一发现进一步证实先前关于碘氧铋复合材料直接Z-机制的推论。 20. 分级Z型α-Fe2O3/g-C3N4复合材料用于增强光催化CO2还原 Adv. Mater. -香港中文大学王保强教授、澳大利亚格里菲斯大学赵惠军教授
构筑了由海胆状赤铁矿和氮化碳组成的分级直接Z型体系，其将CO2还原为CO的光催化活性得到增强，上述体系在无助催化剂和牺牲试剂的情况下，CO产生速率达到27.2 μmol·g-1·h-1，是g-C3N4的2.2倍(10.3 μmol·g-1·h-1)。Z型复合材料的光催化活性增强应归因于：(1) 海胆状赤铁矿的三维分级结构和更多碱性位点促进了CO2吸附；(2)独特的Z型机理有效地促进电子-空穴对的分离，提高了g-C3N4导带中电子的还原性。 21. 可控合成氮缺陷石墨相氮化碳（g-C3N4）光催化材料 Advanced Materials-中科院理化所张铁锐
该课题组成功开发了一种新型的碱辅助合成方法，制备了富含氮缺陷的g-C3N4纳米片，原位引入的体相和表面氮缺陷有利于拓展材料的可见光吸收范围以及光生载流子的分离能力。实验通过控制合成过程中碱的加入量，得到了一系列不同氮缺陷浓度的g-C3N4，其禁带宽度可随缺陷浓度的升高逐渐变窄，材料吸收光谱发生整体红移，与其他多步处理方法形成的表面缺陷相比具有更突出的吸光性能，最终使得可见光催化产氢速率大幅提升。该过还程可以简便的。 22. 量子点/g-C3N4：高入射光利用率的新型光催化体系 Angew. Chem. Int. Ed.-天津大学季惠明、沈铸睿与澳大利亚阿德莱德大学马天翼
设计制备了一种新型高效钒酸盐量子点/g-C3N4二维超薄纳米片 (0D/2D)复合光催化材料。 半导体量子点/石墨烯纳米片0D/2D异质结，是一类广泛研究的光催化纳米结构。其中，量子点与石墨烯纳米片的相互作用可以分散和稳定量子点，发挥量子点比表面积大、电子传输路径短的优势；同时石墨烯高电子导通率还可迅速导出光生载流子，抑制半导体量子点中光生电子-空穴的复合。但这类材料仍有较大缺陷：占复合材料较大体积分数的石墨烯无光催化活性，使材料对入射光利用效率降低。 为了解决这一问题，合作团队选用了具有类石墨烯结构的g-C3N4材料，与钒酸盐量子点相结合，设计出一种更为高效的量子点/g-C3N40D/2D复合光催化材料。 24. 适量SnO2复合同时显著地促进了g-C3N4和Au纳米粒子的可见光生电荷空间分离 Advanced Energy Materials-黑龙江大学井立强教授、付宏刚教授课题
提出和发展了通过复合宽带隙半导体纳米氧化物如SnO2等来同时实现可见光激发的g-C3N4纳米片和具有等离子共振效应的Au纳米粒子适当能级水平电子的空间转移而促进分离的策略。并提供了热力学上所需要的电子诱发还原反应产氢的适合能量平台，结果显著地改善了g-C3N4在无助催化剂条件下的可见光催化析氢的性能。 做计算，找华算！（戳我了解更多） 深圳华算科技有限公司采用第一性原理计算和分子动力学方法，结合Gaussian、VASP、LAMMPS、CP2K或FHI-aims模拟软件，为化学科学和材料科学的用户提供数据建模与计算模拟、性质预测与机理探索两大方面的综合解决方案和服务，提升这些用户在新型储能材料的研发与改性、高效纳米催化剂的设计与制备等领域的管理、决策和创新能力，推动国内化学和材料学科的蓬勃发展。 部分客户的研究成果已发表在Advanced Materials、Journal of Materials Chemistry A、ChemSusChem等国际优质期刊上。 |
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