C3N4/TiO2二维异质结：高效的表面反应与电荷分离效率

利用太阳能光催化分解水制氢，并将太阳能以氢能的形式储存是解决目前能源危机和环境污染问题最理想的途径之一。聚合物氮化碳（C₃N₄）凭借优异的能带结构、成本低廉和环境友好等特性，成为光催化领域的研究热点。然而，体相C₃N₄（BCN）通常存在光生载流子复合速率快、比表面积小以及界面反应动力学缓慢等问题，导致其光催化制氢性能远低于预期。研究人员开发了各种策略，如杂原子掺杂、形貌调控和构建异质结复合材料等来解决上述问题。其中，构建C₃N₄/TiO₂异质结复合材料备受关注，因为TiO₂具有低成本、高光活性、化学稳定性强、能带位置适合等优点。研究表明，将C₃N₄与TiO₂复合可以显著提高析氢活性。然而，所报道的C₃N₄/TiO₂复合材料大多缺乏对形貌结构的精准调控，导致没有足够的反应界面和催化中心来进行有效的电荷分离和催化表面氧化还原反应。

基于上述原因，黑龙江大学付宏刚教授团队与复旦大学李伟教授提出了原位剥离和转化的策略（如图1所示）：钛酸四丁酯在真空辅助下随着乙醇和甘油混合溶液插入到超分子前驱体层间，经过溶剂热反应和高温聚合后，TiO₂纳米晶被锚定在超薄C₃N₄表面，得到了这种特殊结构的HCN/TiO₂复合光催化剂。

图1  HCN/TiO₂异质结复合材料合成过程示意图。

图2  HCN/TiO₂光催化剂的：(a-b)扫描电镜，(c-d)透射以及高分辨透射电镜，(e-j)相应的元素分布图.

图3 TiO₂、BCN、BCN/TiO₂和HCN/TiO₂在1 wt% Pt为助催化剂（a）AM 1.5和（b）可见光条件下制氢性能。HCN/TiO₂的表观量子效率（c）和稳定性测试（d）。TiO₂、BCN、BCN/TiO₂和HCN/TiO₂在无助催化剂（a）AM 1.5和（b）可见光条件下制氢性能。