郭新闻教授团队在自支撑三维氮化碳光解水制氢取得新进展

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光解水制氢反应是一种理想的太阳能到化学能转化途径，开发高效的光催化剂是提高太阳能转换效率的关键。近年来，聚合物氮化碳因具有非金属、无毒、易制备、具有合适的带隙、可吸收可见光等优点被广泛应用于各种光催化反应。然而直接热解制备的氮化碳材料的可见光吸收效率低、光生电子和空穴复合现象严重，导致光催化活性非常有限，尤其是在可见光波长大于500 nm范围内光催化活性几乎为零。n → π*电子跃迁（吸收峰位于490nm附近）可有效拓宽氮化碳材料的可见光响应波长至600nm，提高氮化碳的可见光催化活性。然而，在平面对称的七嗪基结构中n → π*电子跃迁是禁阻的，为了激发n → π*电子跃迁必须破坏这种平面对称结构，使结构发生扭曲。研究者们通过添加共聚物、制造缺陷、断裂氢键等手段成功实现了氮化碳中的n → π*电子跃迁，提高了其可见光催化活性。但是这些方法同样破坏了原始氮化碳结构的完整性，不利于光生载流子的快速分离和转移。因此，如果能够在保证氮化碳结构完整的前提下激发n → π*电子跃迁，将会更有效的提高氮化碳材料的可见光催化活性，而实现这一目标仍然具有很大的挑战。

光解水制氢

        近日，大连理工大学化工学院郭新闻教授研究团队采用分步热解策略，将预聚合的尿素前驱体在惰性气氛下经不同高温热解再聚合，成功制备出了一系列具有可调谐n → π*电子跃迁吸收的高结晶性氮化碳纳米片（UCN-X, X=600-690, X代表热解温度）。UCN-X样品表现出连续的自支撑三维网络结构（SSD），由卷曲的小纳米片相互连接组成，同时富含褶皱以及丰富的产氢活性位点。SSD氮化碳的这些结构特性使其同时具有扩张的π电子体系和部分扭曲的七嗪基结构，不仅增强了氮化碳材料固有的π → π*电子跃迁，而且激发了n → π*电子跃迁，极大地增强了可见光吸收。SSD氮化碳具有高效的光生载流子分离效率和传输速率，这归功于其高结晶性的七嗪基结构以及连续的SSD网络结构导致共轭π电子高度离域化。UCN-X样品的产氢活性变化趋势与n → π*电子跃迁吸收强度的变化规律高度正相关，结合单色光产氢实验成功证明SSD氮化碳的光催化性能提升主要来自于450-600nm 波段，说明n → π*电子跃迁对光催化性能提升的主要贡献。UCN-670具有最优的结晶型SSD结构和最优的光学性质，应用在常压可见光分解水制氢反应表现出9230μmol g−1 h−1的产氢速率(Pt 1.1 wt%)，是原始块体氮化碳和氮化碳纳米片的130和7.2倍。

光解水制氢

        该工作构建的SSD氮化碳具有丰富的活性位点、增强的可见光吸收以及高效的载流子分离和传输效率，实现了对光催化反应中三个关键过程(光吸收、电荷分离、表面反应)的协同优化，最终提高了氮化碳的产氢活性，为新型高性能氮化碳基光催化材料的制备提供了一种新策略。
        相关成果以研究论文的形式发表于国际期刊Advanced Materials（Self-Supporting Three-Dimensional Carbon Nitridewith Tunable n → π* Electronic Transition for Enhanced Solar Hydrogen Production）。文章第一作者是大连理工大学化工学院博士后安素峰，通讯作者为郭新闻教授和侯军刚教授。大连理工大学为第一单位，以上工作得到国家自然科学基金项目和辽宁兴辽英才计划的支持。
（文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202104361）


        文章来源：大连理工大学
       郭新闻，男，1967年生，教授，博士生导师，催化学报、石油学报（石油加工）编委，国际期刊Chemical Engineering Technology编委，辽宁省“百千万人才工程”百人层次，教育部“新世纪优秀人才”人选。1985年9月-1989年7月，大连理工大学高分子材料系读本科，获得工学学士学位；1989年9月-1994年9月在大连理工大学工业催化专业硕博连读，获工学博士学位。1994年9月-1996年10月，大连理工大学工业催化系讲师，1996年10月-2001年4月，大连理工大学工业催化系副教授，2001年4月-至今，大连理工大学工业催化系教授。2001年4月-2002年4月年获得教育部“21世纪教育振兴行动计划”计划资助赴美国宾夕法尼亚州立大学做访问教授。2004年11月－2005年3月受到宾夕法尼亚州立大学宋春山教授的邀请再次对该校进行访问研究。2002年获中国石油和化学工业协会科技进步一等奖（排名3）；2003年获得国家科技进步二等奖（排名3）；2007年被评为大连市第四批优秀专家；2008年获得中国石油和化学工业协会青年科技突出贡献奖。已申请发明专利30项，授权15项，SCI收录论文260篇。主要研究方向：多相催化，分子筛催化，择形催化，选择氧化。
            侯军刚，大连理工大学精细化工国家重点实验室教授。2010年毕业于天津大学，获工学博士学位。2010年7月入职北京科技大学，2013年晋升副教授，2014年1月获日本学术振兴会Fellowship (JSPS Fellowship)，2014年1月至2015年9月在日本东北大学工学部任特别研究员，2015年9月至2018年1月在大连理工大学人工光合作用研究所任特聘研究员，于2018年1月聘为大连理工大学精细化工国家重点实验室教授。主要从事太阳能分解水领域的研究，致力于发展能源光催化材料的可控合成与集成组装方法，建立微纳米结构、能带结构、电荷传输与催化性能之间的构效关系，实施太阳能光催化体系在光能、电能与化学能之间的高效转换，实现高效太阳能转化。至今已在Angew. Chem. Int. Ed. (1篇，IF=11.994)、Energy Environ. Sci. (3篇，IF=29.518)、Adv. Energy Mater. (2篇，IF=16.721)、Adv. Funct. Mater. (1篇，IF=12.124)、Nano Energy (4篇，IF=12.343)等国际刊物上发表论文70余篇(其影响因子IF>29的3篇，IF>10的11篇)，被Chem. Rev.、Nat. Mater.、Prog. Mater. Sci.、Nano Today、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际期刊引用1696次，H指数为30。主持国家自然科学基金面上项目(2项)和青年基金项目(1项)、教育部高校博士点基金项目、中国博士后科学基金面上项目(一等资助)等。2014年入选北京高等学校“青年英才计划”，2017年入选大连理工大学星海优青人才培育计划的资助。在重要国际和国内学术会议上多次进行邀请报告；自2017年担任《Journal of Energy Chemistry》青年编委以及Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、ACS Catal.、Small、Appl. Catal. B.、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊审稿人。