▲第一作者：冯程洋；通讯作者：汤琳
通讯单位：湖南大学环境科学与工程学院

论文DOI：10.1002/adfm.202001922

近日，湖南大学环境科学与工程学院汤琳教授课题组开发一种具有叶脉状形貌结构和能带及电荷传递能力可调的氮化碳光催化材料，用以选择性的光催化二电子产双氧水。所制备催化剂展示出显著提升的光吸收能力和电荷传递效率，在420 nm处，CN4产H2O2的表观量子产率达到27.8%，远高于其他许多现有光催化剂。

过氧化氢（H2O2）是一种重要的清洁化工资源，其副产品仅以水的形式排放，广泛应用于有机合成、废水处理、纸浆漂白、消毒等领域。近年来，过氧化氢作为氢在单室电池中的电能替代品也备受关注对H2O2的巨大需求引起了人们对H2O2制备技术的关注，同时，应用最广泛的蒽醌法也面临着不足，由于高能耗和大量有毒副产物的存在，开发清洁的过氧化氢制备技术迫在眉睫。半导体催化剂光催化制备H2O2由于其清洁、低能的光驱动双电子O2还原过程（O2 2H 2e- → H2O2）备受关注。双电子氧还原过程是以超氧自由基（·O2-）为中间产物（O2 e- → ·O2- 2H e-→ H2O2）的两步单电子还原过程，这可能受到从·O2-到H2O2的第二步的限制。由于·O2-转化为H2O2的效率较低，会导致大量光激发电子只参与单电子氧还原过程（O2 e-→ ·O2-），大大降低了光能的利用率。因此，提高双电子光催化氧化还原过程的选择性是提高光催化H2O2生产效率的关键。石墨碳氮化物（g-C3N4）作为一种稳定、低成本的无金属聚合物半导体材料，由于其优异的光催化分解水、二氧化碳还原、固氮、降解有机污染物等性能，近年来受到广泛关注，最近的研究发现，g-C3N4在光催化生产H2O2方面也显示出突出的潜力。

通过硼氢化钾辅助的热缩聚法，在氮化碳聚合过程中制造高温还原性气氛，在引入缺陷和硼掺杂位点的同时生成独特的叶脉结构表面和丰富的孔道结构，极大的提升了催化剂的比表面积和活性位点暴露量。所得催化剂通过多种表征手段确定缺陷和硼掺杂的方式，结合DFT理论模拟深入分析了光吸收能力及电荷传递能力提升的机理。
图文解析

▲图1.普通块状g-C3N4（左）和叶脉状g-C3N4（右）的SEM图
作者通过扫描电镜对比观察了普通块状g-C3N4和本工作所制备g-C3N4的形貌结构，发现本工作所制备的g-C3N4表面形成了密集的叶脉状结构，且存在丰富的孔道结构。这种独特的结构能够显著提升g-C3N4的比表面积，暴露出更多的反应活性位点。

▲图2.所制备材料的（a）XRD，（b）红外及（c-e）XPS表征

作者接着通过XRD、FTIR及XPS等表征手段确定了缺陷的存在形式（氰基）及硼掺杂位点（二号氮），作为后续理论计算的建模依据。